太阳能制氢是利用取之不尽的太阳能直接作为一次能源的制氢方法，其相较于传统的制氢方法，不需要消耗大量的常规能源，使制氢的成本大大降低。利用太阳能制氢主要分为太阳能光水解制氢、太阳能电水解制氢、太阳能热水解制氢、太阳能光化学制氢、太阳能热化学制氢、太阳能光电化学制氢和光合作用制氢等。

太阳能光水解制氢是由日本科学家于1972年首次提出的利用二氧化钛（TiO₂）单晶硅电极光催化降解水产生氢气的方法。其中太阳能光水解的效率主要取决于光电转换效率和水分解为氢气、氧气过程中的电化学效率。在自然条件下，水对于可见光和紫外线是透明的，不能直接吸收光能。故而，必须在水中加入能吸收光能并传递给水分子的物质——光催化剂。有理论分析指出，能用来作为催化剂的物质的禁带宽度必须大于水的电解电压，并且价带和导带的位置分别同氧气和氢气的电极电位相适应。人们通过进一步地降低半导体的禁带宽度或者使用多种催化剂，来提高光解水的效率。

太阳能光解制氢反应式为

电解电压为

式中， 为摩尔生成吉布斯自由能， ＝-237kJ/mol；F为法拉第常数。

太阳能电水解制氢与电水解制氢类似，首先将太阳能转换为电能，然后将电能转换制氢，构成太阳能光伏制氢系统。(www.daowen.com)

太阳能热水解制氢是把水或者水蒸气加热至3000K以上，分解水得到氢气和氧气的方法。虽然这种方法不需要催化剂且分解效率高，但是太阳能聚焦的费用十分昂贵。采用高聚焦、高反射的太阳炉可以实现3000K以上的高温，从而可以实现水的分解；还可以在水中加入催化剂，使得分解的温度为900～1200K。目前这种方法制氢的效率已经达到50％左右，如果此方法与稍后介绍的太阳能热化学循环相结合，则可以实现高效、实用的制氢。

太阳能光化学制氢是利用射入光子的能量使水分子通过分解获得氢气的方法。实验证明，在可见光的范围内，光线中的紫光和蓝光更具这种作用，而红光和黄光较差，在太阳能的光谱中，紫外线的效果是最佳的。在进行光化学制氢时，将水直接分解成氢气或者氧气是十分困难的，为解决这个问题，需要在水中加入光解物和催化剂来帮助水分吸收更多的太阳能。

太阳能热化学制氢是率先实现工业化大生产制氢的技术之一。该技术具有生产量大、成本较低等优点。现阶段主要的实施方案有太阳能硫氧循环制氢、太阳能硫溴循环制氢和太阳能高温水蒸气制氢。其中太阳能水蒸气制氢会消耗大量的常规能源，并且造成一定程度的环境污染，故而，科学家提出了利用太阳能制备高温水蒸气的方法来降低制氢的成本。

太阳能光电化学制氢是电池的电极在太阳光的照射下吸收太阳能，将光能转换为电能并能够维持恒定的电流，且将水分子分离成氢气和氧气的过程。该方法的原理是：在阳极和阴极组成的光化学池中，当光照射到半导体的电极表面时，受光激发所产生的电子-空穴对，在电解质存在下的阳极吸收光后，在半导体带上产生的电子通过外电路流向阴极，水中的质子从阴极上接受电子产生氢气。