氫氣（H2）具有較高的比能密度，燃燒時只產生水，是一種很有吸引力的無碳替代燃料。然而，與碳氫化合物不同的是，地球上沒有相當數量的H2可以開採。因此，H2必須從其他化合物中製得。以太陽能為基礎的路線特別有趣，因為陽光有能力提供充足的能量來滿足人類的需求。然而，有效地捕獲和儲存這種分散能源資源在技術和經濟上面臨重大挑戰。在目前提出的太陽能收集和轉換的方法中，太陽能熱分解水（STWS）是利用整個太陽光譜來分解水，而沒有中途能量形式轉換帶來的損失。因此，STWS有潛力實現理論上較高的太陽能-氫氣效率。

STWS涉及使用鏡子集中陽光，可以通過多種方式配置（如圖1）。然後將收集到的太陽能集中在一個反應器上，將其加熱到高溫，促使H2O吸熱分解為H2和O2。

圖1 利用(a)發電塔和定日鏡和(b)拋物面盤聚光器集中太陽輻照的方法；(c)一般的兩步太陽能熱化學分解水循環的示意圖

STWS又包括太陽能直接熱分解水制氫、太陽能熱化學多步循環制氫兩種。

直接熱分解水制氫也即一步分解水制氫。雖然這一簡單的過程很簡單，但由於即使是最小的反應也需要最低2200℃的反應溫度，因此不切實際。此外，由於熱分解水同時產生H2和O2，需要高溫的H2/O2分離步驟，以防止產物H2和O2重新反應生成水和爆炸性混合物。

但是，太陽能熱化學多步循環制氫法可以將水的分解分為兩個或兩個以上的步驟，分別產生H2和O2，從而避免了高溫氣體分離的問題。一般來說，兩步分解水的循環依賴於金屬氧化物的還原和隨後的再氧化，並需要還原溫度為1000℃，但也遠低於一步法直接分解水所需要的2200℃。多步(＞兩步)循環通常利用金屬與苛刻的酸或鹼結合，通常包括電解步驟；這些循環中有許多在900℃以下的最高溫度下工作。由於危險化學品、複雜的設計以及與眾多工藝步驟相關的複合低效率，多步循環不太可能實現經濟生產氫氣所需的高效率。

在兩步STWS中，金屬氧化物在低O2分壓下通過集中陽光加熱到高溫進行還原並生成O2，如化學方程式（1）所示，其中MxOy是氧化態，M是可以驅動STWS的金屬氧化物的還原態（對於多價態金屬而言，視還原條件而定，還原態也可能是低價氧化物。）。在第二步中，被還原的金屬M暴露在蒸汽中，蒸汽對材料進行再氧化並形成H2，如化學方程式（2）所示。

雖然STWS在概念上很簡單，但實施這個過程是複雜的，如果STWS要成為一個高效和商業上可行的過程，還有很多需要改進的地方。STWS的三個主要相關方面需要進一步考慮和發展：首先，篩選確定進行氧化還原反應的最佳活性物質；其次，優化系統操作條件以實現效率最大化；第三，設計高效的STWS反應器，包括向活性物質提供太陽能熱能，對活性物質以及反應進行控制。