1991年，瑞士联邦工学院的M.格雷策尔（Michael Grätzel）教授和B.欧里根（Brian O'Regan）博士首次在《自然》杂志发表了染料敏化太阳电池的光电转换效率为7.1%的实验结果，到2015年该类太阳电池的光电转换效率突破了14%。在染料敏化太阳电池内部，染料敏化剂吸附在半导体表面，与半导体的能级形成匹配，当染料敏化剂受到光照时产生激子，随后电子注入半导体之中实现电子-空穴分离，对外输出光电流和光电压。染料敏化太阳电池中所使用的半导体材料大都是光谱响应窄的宽禁带半导体材料，而染料敏化剂则采用的是光谱响应宽的有机染料分子或无机染料分子。例如，以锐钛矿型纳米二氧化钛（TiO₂）半导体材料在导电玻璃上制备成微米级厚度薄膜，表面吸附一层金属钌基染料构成光阳极。在光阳极和负载铂黑粒子导电玻璃作为对电极之间填充含有氧化还原电对的电解质，从而构成了“导电玻璃/染料敏化TiO₂薄膜/电解质/对电极”结构光电化学池，内部主要发生如下反应：

①染料受光激发由基态（）跃迁到激发态（）：

②激发态染料分子（）将电子注入半导体的导带中：

③导带电子在纳米薄膜中传输至导电玻璃的导电面，然后流入到外电路：

④离子扩散到对电极上得到电子变成离子：

⑤还原氧化态染料而使染料再生，完成染料和氧化态电活性物种的再生：

经过以上几个电子转移过程，完成了电池能量转化的一个工作循环。染料敏化太阳电池由于制备工艺简单、材料选择灵活和光电转化效率高等特点而成为研究热点。