半導体が光を吸収すると、価電子帯（valence band）の電子が伝導帯（conduction band）に励起されます。 価電子帯には電子の抜け穴である正孔（positive hole）が生成します。励起電子と正孔の寿命が長い場合には、励起電子が還元反応を、正孔が酸化反応を引き起こすことが可能です。

　水の全分解反応（H₂O → H₂ + 1/2O₂）では、励起電子がプロトンを還元して水素を生成し、正孔が水を酸化して酸素を生成します。 水分解はギブスエネルギーが増加する反応（ΔG > 0）であるため、自発的には進行しえませんが、半導体の光励起状態をもちいることによって可能となります。