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光解水又稱為光催化分解水，可理解為一種人工光合作用。科學原理是半導體材料的光電效應——當入射光的能量大于等于半導體的能帶（Band Gap）時，光能被吸收，價帶（VB）電子躍遷到導帶（CB），產生光生電子（e-）和空穴（h+）。電子和空穴遷移到材料表面，與水發生氧化還原反應，產生氧氣和氫氣。光分解水制氫主要包括3個過程，即光吸收、光生電荷遷移和表面氧化還原反應。

光解水能否工業化取決于太陽能到氫（solar-to-hydrogen, STH）能量轉換效率。光解水分為三種技術路線，一是光催化分解水，利用納米粒子懸浮體系制氫，該種方式成本較低、易于規模化放大，但STH效率偏低（約1%）。高效寬光譜響應的光催化劑、高效電荷分離策略、新型高效助催化劑以及氣體分離新方法和新材料等是這一路線后續研究的關鍵問題；二是光電催化分解水，在一些典型的光陽極半導體材料 (BiVO₄和Ta₃N₅等) 體系上STH效率已超過 2.0%；三是光伏-光電耦合體系，在三種途徑里STH效率最高, 在多個實驗體系上已超過 10% 以上。最新報道的利用多結 GaInP/GaAs/Ge 電池與Ni電催化劑耦合, 其STH效率可達到 22.4%，已達到工業化應用要求。但光伏電池成本 (尤其是多結 GaAs太陽電池) 極大限制了其大面積規模化應用, 因而也是當前成本最高的技術路線（約300-400元/kg）。