Cùng với sự phát triển sản xuất công nghiệp, tốc độ tăng trưởng kinh tế và sự
bùng nổ gia tăng dân số là nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng
tăng. Trong khi đó, nguồn năng lượng chính là nhiên liệu hóa thạch (như than đá,
xăng, dầu, khí đốt, ) ngày càng cạn kiệt và giá thành có xu hướng tăng lên. Ngoài
ra, sử dụng năng lượng hóa thạch gây ra một số vấn đề nghiêm trọng mang tính toàn
cầu như ô nhiễm môi trường và sự ấm dần lên của khí hậu trái đất do hiệu ứng nhà
kính từ phát thải khí CO2. Do đó, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch, tái tạo,
thân thiện với môi trường là vấn đề cấp bách và thiết thực của cả thế giới chứ không
riêng của mỗi quốc gia.
Một trong những nguồn năng lượng sạch và vô tận đó là năng lượng mặt trời.
Tổng năng lượng mặt trời tới bề mặt Trái đất là khoảng 3.400.000 exajoules/năm,
gấp khoảng 5.400 lần tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu dự kiến (cỡ 633 exajoules)
vào năm 2020 [1]. Vấn đề đặt ra là làm sao có thể chuyển hóa nguồn năng lượng
khổng lồ này thành các dạng năng lượng khác có thể dự trữ được, phân phối và sử
dụng theo nhu cầu. Một trong những công nghệ chuyển đổi năng lượng phổ biến
hiện nay là pin mặt trời. Ngành công nghiệp chế tạo pin mặt trời đã có những bước
tiến đáng kể như hiệu suất pin ngày càng tăng, pin mỏng và nhẹ hơn, dễ uốn dẻo
hơn, Tuy nhiên, năng lượng từ pin mặt trời phải được sử dụng ngay hoặc phải kết
hợp với một công nghệ khác như pin Li để tích trữ và phân phối theo ý muốn. Một
cách tiếp cận khác là chuyển năng lượng mặt trời thành dạng năng lượng hóa học
dự trữ trong các liên kết hóa học của H2 thông qua tế bào quang điện hóa (hoặc pin
quang điện hóa – PEC cell) hay còn gọi là lá nhân tạo (artificial leaf) [2]. Quá trình
này giống với quá trình quang hợp trong tự nhiên: sử dụng ánh sáng mặt trời để
phân tách nước tạo H2 và O2. Pin quang điện hóa bao gồm các điện cực cathode làm
từ các chất bán dẫn loại p và anode làm từ chất bán dẫn loại n.