随着化石燃料的枯竭和环境污染的加剧,能源需求的急剧增加和淡水资源短缺成为当前人类社会面临的两大问题。为此,利用可再生能源,特别是储量丰富的太阳能资源已成为人们的主要选择。其中,光到热的转换是利用太阳能最直接、有效的途径之一。除了常见的太阳能热水器之外,太阳能光-热转换技术还可以用于采暖制冷、海水淡化以及光-热（蒸汽）发电等领域。太阳能光-热吸收体作为光-热转换技术的核心,不仅要求其能够高效地吸收太阳光并转换成热,而且要求其能够对转换的热能加以有效利用。前期太阳能光-热（蒸汽）转换的研究主要集中在开发和设计高效的光吸收及光-热转换材料。材料体系和结构主要有:碳基材料、聚合物凝胶、金属等离子体结构、金属-碳的复合结构及分级的纳米结构等。经过不懈努力,研究者已经开发出太阳光吸收率高于95%的高效光-热转换器件,并将其应用于太阳能海水淡化领域。但是,当前的太阳能光-热转换器件大多依赖于持续、稳定且垂直入射的光照条件。当太阳光从多个角度辐照到吸收体表面时,势必会造成入射太阳能吸收的部分损耗。另一方面,当前的太阳能光-热转换器件在海水淡化的应用中容易被海水中的盐腐蚀,导致器件光-热（蒸汽）转换性能的下降。此外,目前已报道的高效率光-热（蒸汽）转换器件,在常温开放体系中通常都伴随着大的热量损失。受自然界的启发,本论文设计了具有三维分级结构的太阳能光-热转换器件来攻克上述难题。在既能实现全方位的高效光吸收及光-热转换,又能有效抗盐的太阳能光-热转换器件方面,我们将荷叶表面微纳结构的超疏水特性与三维纳米线结构的陷光效应相结合,设计了分级的铜-硅纳米颗粒/纳米线结构。该结构能够有效地拓展硅材料的吸收光谱,提升硅材料的光吸收效率以及全方位捕获太阳光的能力。进一步,基于设计的分级铜-硅纳米颗粒/纳米线结构光-热转换材料,我们提出了太阳能光-热电池技术,来拓展高比能固态储能器件的工作温区。针对目前太阳能光-热（蒸汽）转换器件对持续、稳定的光照条件的依赖性及其在常温开放体系中不可避免的热量损失问题,我们设计了具有分级热捕获及热局域性能的三维石墨烯-蜂巢结构太阳能光-热转换器件。该器件将石墨烯材料优异的光吸收及光-热转换性能与蜂巢结构的分级热捕获性能有效结合,通过分级的热回流和热局域结构设计,分别实现了高效的热捕获与长时间的高效储热,从而有效减少了热量损失。本论文的主要研究内容和结果如下:1.我们充分利用气-固（V-S）及气-液-固（V-L-S）技术的优势在泡沫铜基底上制备了分级的铜-硅纳米线结构太阳能光-热转换薄膜。该薄膜通过铜-硅纳米颗粒/纳米线结构实现了全方位的高效光吸收和光-热转换。我们还研究了薄膜的光吸收特性、光-热转换特性、光-热转换稳定性以及其表面对于水的浸润性。结果表明:基于分级铜-硅纳米线结构的太阳能光-热转换薄膜表现出超疏水（水接触角156°）的表面特性。该薄膜能够在0°至80°的太阳光入射角范围内实现高效的光吸收及光-热转换,且对于垂直入射的太阳光实现了全光谱范围（200-2500 nm）内高达93.8%的吸收率。此外,在高功率(16000W·m^-2)的光照条件下,该薄膜表现出了优异的光吸收及光-热转换稳定性。2.针对目前太阳能光-热海水淡化器件对垂直入射的太阳光依赖性强及其抗盐能力和稳定性差的问题,我们将分级的铜-硅纳米线结构光-热转换薄膜应用于太阳能海水淡化领域,来实现全方位的高效光-热（蒸汽）转换及盐水中长时间的稳定工作。其中,分级的铜-硅纳米颗粒/纳米线结构作为太阳光吸收体全方位地捕获太阳光并将其高效地转换成热,分级的硅纳米线/铜-硅纳米线结构作为蒸腾作用下水抽取的“根须”为界面加热提供充足的水分。基于分级铜-硅纳米线结构的太阳能光-热海水淡化器件,在一个太阳光强度(AM1.5,1000 W·m^-2)连续辐照的条件下获得了约86%的太阳能光-热（蒸汽）转换效率。此外,该器件的超疏水表面特性使其可以自然漂浮在水面上,并保持优异的抗盐能力和长期的循环稳定性。3.基于光-热转换技术,我们首次提出了太阳能光-热电池的概念来实现储能器件在超低温环境中的工作,以拓展储能器件的工作温区。采用生长在泡沫铜基底上的,具有优异光吸收和光-热转换性能的分级铜-硅纳米线结构光-热转换薄膜替代传统的铜箔作为固态锂-硫电池的集流体。基于分级的铜-硅纳米线结构光-热集流体,我们制备了首个能在-60℃至60℃的温区内工作的固态锂-硫电池,该电池在-60℃下能够释放出约1250 m Ah·g^-1的容量。该技术为开发在宽温区内工作的高比能电池体系提供了一种新的思路,能够极大地扩展相关储能器件的应用领域。4.针对当前高效率太阳能光-热转换器件对持续光照条件的依赖性及其在常温开放体系中热量损失的问题,我们设计了一种具有高效光-热转换性能,且能分级抑制热量损失的三维石墨烯基热捕获器件。该器件实现了全光谱范围（200-2500 nm）内超过97%的太阳光吸收效率,并在一个太阳光强度(AM1.5,1000 W·m^-2)连续辐照的条件下获得了约85%的初始太阳能光-热（蒸汽）转换效率。更为重要的是,分级的热回流及热局域结构的设计使得该器件在持续的光-热（蒸汽）转换测试过程中,水的蒸发速率提升了约9%。即使在不连续光辐照的条件下,该器件依然表现出优异的太阳能光-热（蒸汽）转换性能（1 h内蒸汽的产量达到连续辐照下的81%）,从而为全天候（晴天或多云）的高效率太阳能光-热转换器件的设计提供了思路。