Uma abordagem química que tem despertado a atenção de diversos grupos de pesquisa na conversão de energia solar é a fotosensibilização de semicondutores com separação grande de banda. Nessa técnica, não é mais o semicondutor que absorve luz diretamente, mas sim espécies corantes, sensibilizadoras, separando assim os processos de absorção de luz e separação de cargas. Após a absorção de luz, a espécie corante excitada é capaz de transferir um elétron para o semicondutor, mantendo o par elétron-buraco separado pela interface semicondutor-sensibilizador. Uma célula fotoeletroquímica regenerativa baseada nesse tipo de arranjo constitui-se do sensibilizador adsorvido na superfície do semicondutor, uma solução contendo um eletrólito mediador e um contraeletrodo.
