Fotoelektrolyse udføres i fotoelektrokemiske celler, når lys bruges til elektrolyse . Med andre ord er fotoelektrolyse omdannelsen af lys til elektrisk strøm og nedbrydning af molekyler ved hjælp af denne strøm.
Tiltrækningen af fotoelektrolyse for mange ingeniører og teknologer er dens egnethed til elektrolyse af vand til brint og oxygen . (I dette tilfælde er processen kendt som vandnedbrydning .) At opnå en brintøkonomi kræver en effektiv og billig måde at producere brint fra naturlige kilder uden brug af fossile brændstoffer . Fotoelektrolyse betragtes ofte som en metode, der fuldstændigt opfylder denne betingelse. (Til sammenligning bruger dampreformering konventionelle fossile brændstoffer til at producere brint.) Fotoelektrolyse omtales ofte billedligt som brints " hellige gral " for dets potentiale til at være et levedygtigt alternativ til olie som energikilde ; en sådan energikilde, der ikke er forbundet med uønskede samfundspolitiske effekter, såsom olie under udvinding og brug.
Nogle forskere arbejder på implementering af fotoelektrolyse ved hjælp af nanoteknologiske metoder . Med de rigtige halvledere kan nanofotoelektrolyse af vand en dag opnå større effektivitet end traditionel fotoelektrolyse. Halvledere med en potentiel barriere på mindre end 1,7 eV kan angiveligt være effektive til nanofotoelektrolyse ved hjælp af Solen.