作用反应能分成两个氧化还原之半反应，对于产生燃料是缺一不可的。在植物体的光合作用中，水分子借由光致氧化（即光反应）释放出氧气和质子。接着再借由与光无关的反应（即卡尔文循环）将二氧化碳转化为葡萄糖（燃料）。人工光合作用的研究者们正在开发能够催化此二反应之光触媒。除此之外，借由水分解所形成的质子可用于产氢。此类触媒必需能够快速反应并且吸附高百分比的附带太阳光子。虽然光伏能够直接从阳光提供能源，然而借由光伏电力进行燃料生产（非直接过程）效率不彰，加上日间阳光照射并非恆定，因此这类方式有其侷限性。使用自然光合作用