光電化學電池是兩類不同的設備之一。xxx種產生電能類似于染料敏化光伏電池，符合光伏電池的標準定義。第二種是光電解池，即利用光入射到浸入電解液中的光敏劑、半導體或含水金屬上，直接引起化學反應，例如通過電解水產生氫氣的裝置。兩種類型的設備都是太陽能電池的變種，因為光電化學電池的功能是利用光電效應（或非常類似地，光伏效應）將電磁輻射（通常是太陽光）直接轉換為電能，或轉換成某種東西本身可以很容易地用于產生電能（例如，氫氣可以燃燒產生電能，參見光氫）。

在標準光伏電池中運行的標準光伏效應涉及在半導體介質中激發負電荷載流子（電子），最終提取負電荷載流子（自由電子）以產生電力。包括Gr?tzel電池在內的光電化學電池的分類符合這個狹義的定義，盡管電荷載流子通常是激子。另一方面，光電解池內的情況則完全不同。光合電池是光電解電池的另一種形式，在這種情況下，輸出是碳水化合物而不是分子氫。

（水分解）光電解池通過用電磁輻射（即光）照射陽極，將水電解成氫氣和氧氣。這被稱為人工光合作用，并被建議作為將太陽能儲存在氫氣中用作燃料的一種方式。入射的陽光激發硅電極表面附近的自由電子。這些電子通過導線流向不銹鋼電極，其中四個與四個水分子反應形成兩個氫分子和4個OH基團。OH基團通過液體電解質流到硅電極的表面。在那里，它們與與四個光電子相關的四個空穴反應，結果是兩個水分子和一個氧分子。發光的硅在與電解質接觸后立即開始腐蝕。腐蝕會消耗材料并破壞電池內表面和界面的特性。兩種類型的光化學系統通過光催化作用。一種使用半導體表面作為催化劑。在這些設備中，半導體表面吸收太陽能并充當水分解的電極。另一種方法使用溶液中的金屬配合物作為催化劑。光電解電池已經通過了10%的經濟效率壁壘。半導體的腐蝕仍然是一個問題，因為它們與水直接接觸。目前正在進行研究以達到10000小時的使用壽命，這是美國能源部制定的要求。

有史以來設計的xxx個光伏電池也是xxx個光電化學電池。它是1839年由19歲的亞歷山大-埃德蒙·貝克勒爾在他父親的實驗室中創建的。近幾十年來，最常研究的現代光電化學電池是Gr?tzel電池，盡管由于鈣鈦礦太陽能電池的效率相對較高以及與常用的氣相輔助沉積技術相似，最近人們的注意力已從該主題轉移到鈣鈦礦太陽能電池上。他們的創作。染料敏化太陽能電池或Gr?tzel電池使用染料吸附的高度多孔納米晶二氧化鈦(nc-TiO2)來產生電能。

水分解光電化學(PEC)電池使用光能在雙電極電池內將水分解成氫氣和氧氣。理論上，在PEC的組裝中存在三種光電極排列：

• 由n型半導體和金屬陰極制成的光陽極
• 由n型半導體制成的光電陽極和由p型半導體制成的光電陰極
• 由p型半導體和金屬陽極制成的光電陰極

生產：

• 吸光度：由帶隙決定，適用于太陽輻射光譜
• 電荷傳輸：光電極必須是導電的（或半導電的）以最小化電阻損失
• 合適的能帶結構：足夠大的帶隙以分裂水（1.23V）和相對于氧化還原電位的適當位置
• 催化活性：高催化活性提高了水分解反應的效率
• 穩定性：材料必須穩定，以防止分解和失去功能

除了這些要求之外，材料必須成本低廉且地球資源豐富，才能使PEC水分解的廣泛采用可行。雖然列出的要求可以普遍應用，但光電陽極和光電陰極的要求略有不同。一個好的光電陰極將具有早期開始的析氧反應（低過電位）、飽和時的大光電流和開始時光電流的快速增長。另一方面，良好的光陽極除了高電流和快速的光電流增長外，還具有早期發生的析氫反應。為了最大化電流，陽極和陰極材料需要匹配在一起；一種陰極材料的最佳陽極可能不是另一種陰極材料的最佳陽極。

1967年，AkiraFujishima發現了Honda-Fujishima效應（二氧化鈦的光催化性能）。出于效率原因，二氧化鈦和其他金屬氧化物仍然是最突出的催化劑。包括SrTiO3和BaTiO3這種半導體鈦酸鹽，導帶主要具有鈦3d特性和價帶氧2p特性。這些帶由至少3eV的寬帶隙隔開，因此這些材料僅吸收紫外線輻射。還研究了TiO2微觀結構的變化以進一步提高性能。2002年，Guerra(NanoptekCorporation)發現，在微米到納米結構模板上形成的半導體薄膜中可以誘導高局部應變，并且這種應變將半導體的帶隙（在二氧化鈦的情況下）轉變為可見的藍色.,進一步發現(ThulinandGuerra,2008)應變也有利地移動了帶邊緣以覆蓋析氫電位，并且進一步發現應變提高了空穴遷移率，從而降低了電荷復合率和高量子效率。Chandekar開發了一種低成本的可擴展制造工藝來生產納米結構模板和應變二氧化鈦涂層。

GaN是另一種選擇，因為金屬氮化物通常具有窄帶隙，幾乎可以涵蓋整個太陽光譜。GaN的帶隙比TiO2窄，但仍然足夠大以允許在表面發生水分解。GaN納米線表現出比GaN薄膜更好的性能，因為它們具有更大的表面積和高單晶度，從而允許更長的電子-空穴對壽命。同時，其他非氧化物半導體如GaAs、MoS2、WSe2和MoSe2被用作n型電極，因為它們在光腐蝕反應中的化學和電化學步驟中具有穩定性。

2013年，一個在硅電極上具有2納米鎳的電池與不銹鋼電極配對，浸入硼酸鉀和硼酸鋰的水性電解質中，運行80小時而沒有明顯腐蝕，而二氧化鈦則為8小時。在這個過程中，產生了大約150毫升的氫氣，相當于儲存了大約2千焦耳的能量。

吸收材料的結構對電池性能有正面和負面的影響。結構化允許在不同的地方發生光吸收和載流子收集，這放寬了對純材料的要求并有助于催化。這允許使用在更多氧化條件下可能穩定的非貴重和氧化物催化劑。然而，這些器件具有較低的開路電位，這可能會導致性能下降。

由于赤鐵礦(α-Fe2O3)成本低、可進行n型摻雜和帶隙(2.2eV)，研究人員廣泛研究了赤鐵礦(α-Fe2O3)在PEC水分解裝置中的用途。然而，性能受到導電性差和晶體各向異性的困擾。一些研究人員通過在表面形成一層助催化劑來增強催化活性。助催化劑包括磷酸鈷和氧化銥，已知它們是析氧反應的高活性催化劑。

氧化鎢(VI)(WO3)在不同溫度下表現出幾種不同的多晶型物，因其高導電性而備受關注，但具有相對較寬的間接帶隙(~2.7eV)，這意味著它不能吸收大部分太陽光譜.盡管已經進行了許多嘗試來增加吸收，但它們導致導電性差，因此WO3似乎不是用于PEC水分解的可行材料。

BiVO4的單斜晶型具有更窄的直接帶隙(2.4eV)和與水氧化電位的適當帶對齊，引起了研究人員的興趣。隨著時間的推移，已經表明富含V和致密的薄膜與更高的光電流或更高的性能有關。釩酸鉍也被研究用于太陽能從海水中產生，由于存在污染離子和更惡劣的腐蝕性環境，這要困難得多。

光電化學氧化(PECO)是光使半導體促進催化氧化反應的過程。雖然光電化學電池通常包括半導體（電極）和金屬（反電極），但在足夠小的尺度上，純半導體顆粒可以充當微觀光電化學電池。PECO可用于空氣和水的解毒、制氫和其他應用。

光子直接引發化學反應的過程稱為光解。如果這個過程有催化劑輔助，則稱為光催化。如果光子具有比材料的特征帶隙更多的能量，它可以在被材料吸收后釋放電子。剩余的帶正電的空穴和自由電子可能會重新結合，產生熱量，或者它們可以參與與附近物種的光反應。如果與這些物質的光反應導致給電子材料的再生——即，如果該材料充當反應的催化劑——則該反應被認為是光催化的。PECO代表一種光催化，其中基于半導體的電化學催化氧化反應——例如，光電催化的主要目的是為電子載流子通過電極電解質界面，特別是為化學產品的光電化學生成提供低能量活化途徑。關于光電化學氧化，我們可以考慮，例如，以下反應體系，它們構成了TiO2催化的氧化。TiO2(hv)→TiO2(e-+h+)TiO2(h+)+RX→TiO2+RX.+TiO2(h+)+H2O→TiO2+H2O。+H+TiO2(h+)+OH-→TiO2+H2O。TiO2(e?)+O2→TiO2+O2.?除了被激發的TiO2本身直接氧化外，該系統顯示了許多促進物質RX氧化的氧化物質的產生途徑。PECO涉及這樣一個過程，其中電子電荷載體能夠容易地移動通過反應介質，從而在一定程度上減輕了會限制氧化過程的重組反應。在這種情況下，“光電化學電池”可以像半導體催化劑的一個非常小的顆粒一樣簡單。在這里，在“光”面，一種物質被氧化，而在“暗”面，一種單獨的物質被還原。

經典的宏觀光電化學系統由與對電極電接觸的半導體組成。對于足夠小尺寸的N型半導體粒子，粒子極化成陽極和陰極區域，有效地形成微觀光電化學電池。粒子的照射表面催化光氧化反應，而粒子的“暗”面促進伴隨的還原。光電化學氧化可以被認為是光化學氧化（PCO）的一種特殊情況。光化學氧化需要產生能夠進行氧化反應的自由基物質，有或沒有在光電化學氧化中發生的半導體催化系統中涉及的電化學相互作用。

PECO可用于處理空氣和水。

1938年，Goodeve和Kitchener證明了TiO2的“光敏化”——例如，將其作為顏料的油漆褪色就證明了這一點。1969年，Kinney和Ivanuski提出，包括TiO2在內的多種金屬氧化物可以在太陽燈的照射下催化溶解的有機物質（苯酚、苯甲酸、乙酸、硬脂酸鈉和蔗糖）的氧化。Carey等人的其他工作。表明二氧化鈦可用于多氯聯苯的光脫氯。