光解水又称为光催化分解水，可理解为一种人工光合作用。科学原理是半导体材料的光电效应——当入射光的能量大于等于半导体的能带（Band Gap）时，光能被吸收，价带（VB）电子跃迁到导带（CB），产生光生电子（e-）和空穴（h+）。电子和空穴迁移到材料表面，与水发生氧化还原反应，产生氧气和氢气。光分解水制氢主要包括3个过程，即光吸收、光生电荷迁移和表面氧化还原反应。

光解水能否工业化取决于太阳能到氢（solar-to-hydrogen, STH）能量转换效率。光解水分为三种技术路线，一是光催化分解水，利用纳米粒子悬浮体系制氢，该种方式成本较低、易于规模化放大，但STH效率偏低（约1%）。高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等是这一路线后续研究的关键问题；二是光电催化分解水，在一些典型的光阳极半导体材料 (BiVO₄和Ta₃N₅等) 体系上STH效率已超过 2.0%；三是光伏-光电耦合体系，在三种途径里STH效率最高, 在多个实验体系上已超过 10% 以上。最新报道的利用多结 GaInP/GaAs/Ge 电池与Ni电催化剂耦合, 其STH效率可达到 22.4%，已达到工业化应用要求。但光伏电池成本 (尤其是多结 GaAs太阳电池) 极大限制了其大面积规模化应用, 因而也是当前成本最高的技术路线（约300-400元/kg）。