由于太阳能具有绿色清洁、能量巨大、分布广泛、转化利用形式多样等众多优势,成为具有广阔应用前景的可再生能源之一,对于太阳能转化的材料的开发应用以及对太阳能利用系统的探索广受科研领域的关注。将太阳光长波部分（可见、红外波段）的光-热转化结合局域表面加热蒸发水体系可在低光照强度下获得局部高温,进一步提高了利用太阳能进行光热水蒸发的能力。太阳能短波部分（紫外及部分可见光）与物质相互作用发生电荷转移进行光电转化,可以将分布广泛的太阳能转化成电能,与电解水产氢系统进行结合,将电能进一步转化为氢能,进一步用于工业生产,从而实现可持续发展的理念。本文的主要研究任务是以太阳能的光热转化和光电转化为基础建立太阳能利用体系,选取了硅基多级三维结构作为研究对象,利用材料吸收太阳能发生的光热转化以及光电-电化学转化两种转化方式,通过对材料进行三维多级结构设计,对材料太阳能光热转化和光电-电化学转化的性能进行优化改进,实现太阳能的高效转化利用。本论文的研究内容主要包括以下方面:首先利用激光微加工的特性,以商业硅片为原料,制备三维硅柱基底,随后用钴氨溶液与基底发生反应,生成均匀的硅酸钴纳米片,将其作为钴源,双氰胺作为富含氮元素的碳源,二者在高温下发生反应,钴盐首先被碳源还原为金属钴纳米颗粒,金属钴作为催化剂催化碳管的生长,最终得到金属钴纳米颗粒嵌入的氮掺杂碳纳米管包裹的硅基三维材料。在本文的第二章,我们对金属钴纳米颗粒嵌入的氮掺杂碳纳米管包裹的硅基三维材料的光热水蒸发性能进行了探究。在太阳光照射下,周期化微米硅柱阵列结构可以延长光学路径,有效降低对光的反射,提高材料的吸光性;碳纳米管不仅具有良好的稳定性,还可以捕获全光谱范围的太阳光,将光能转换成热能,具有优异的光热性能。这种硅柱表面均匀生长碳纳米管的三维材料是一种优秀的光热材料,在模拟太阳光（AM 1.5G,100 mW cm-2）辐射下,样品的表面温度首先在照射1.5分钟的时间内快速升高,最后在上升到80℃时保持恒定。将这种硅柱表面均匀生长碳纳米管的三维材料与太阳能局域加热水蒸发体系相结合,可以实现1.21 kg m-2 h-1的水蒸发速率和82.4%的能量效率。在海水淡化和污水净化过程中收集到的纯水中,盐分、有机污染物的去除率接近100%。在本文的第三章,我们对金属钴纳米颗粒嵌入的氮掺杂碳纳米管包裹的硅基三维材料的光电-电化学产氢性能进行了探究。金属钴嵌入的氮掺杂碳纳米管具有稳定的电化学产氢活性,其中金属钴颗粒提供额外电子,电子隧穿调控碳壳电子密度态,并在碳层表面产生新的催化位点。而且由于碳纳米管本身具有的良好的导电性,可以在电催化过程中加快材料表面的电荷转移速度。在具有周期化阵列的三维硅柱表面负载这种氮掺杂碳包钴纳米管催化剂,可以有效增加样品的比表面积与催化剂的活性位点数目。金属钴纳米颗粒嵌入的氮掺杂碳纳米管包裹的硅基三维材料在酸性和中性电解液中具有良好的电化学产氢,在10 mA cm-2的电流密度下对应的过电位分别为100 mV和270 mV。除此之外,我们还在电化学产氢的电路中串入了硅基太阳能电池作为外加输入能源,为电化学产氢提高一部分产氢过电位,通过光电-电化学转化实现太阳能最终转化为氢能进行储存。综上所述,本文以氮掺杂碳包钴纳米管包裹硅柱的三维硅基材料为基础,探究了硅基三维材料在太阳能光热转化促进水蒸发实现海水淡化和污水处理以及利用硅基太阳能电池光电转化促进硅基三维材料在电化学产氢方面的应用。本论文对新材料的设计及构建以及太阳能光热和光电-电化学的转化利用提供了新的思路。