太阳能因其清洁无污染,蕴藏量巨大,分布广泛,而且转化利用形式多样,成为最具有发展潜力的可再生能源。因此,对太阳能转化材料以及利用体系的研究具有重大的意义。根据太阳光与材料的作用,人类对太阳能的基本利用方式可分为主要利用太阳光短波部分(紫外及部分可见光)的光-电转化和主要利用太阳光长波部分(可见、红外波段)的光-热转化,及其衍生出的更进一步转化利用方式,如光伏发电、光-电-化学转化、光热蒸发水、光热发电等。以光催化为代表的光-电-化学转化,利用光作用于材料产生的光生电荷驱动各种类型的化学反应,如光催化降解污染物,裂解水产氢,合成各种有机无机化学品等,实现太阳能向化学能的转化。光催化近年来已成为研究的热点,尤其是光催化分解水和空气中的污染物是目前最具有应用前景的一种光催化应用方式,已经有商用的光催化剂和小型化的设备应用于净化室内空气以及水中的有害物质。而光热转化的应用在人类历史上已经有数千年的历史,但一直由于效率低、利用方式简单而不受重视。近年来,人们通过新材料和器件结构上的设计,在光热转化效率上取得了新突破,光热转化再次成为研究的热点。值得一提的是,近年来兴起的局域表面加热蒸发水蒸气体系,解决了太阳光直接加热块体水效率低的问题,使得太阳能蒸发水成为一种具有巨大潜力的技术。此外,将光热材料与热电器件耦合,太阳能可以进一步转化为电能,进而还可以驱动电解水装置转化为清洁的氢能,将太阳能以化学能的形式储存下来。目前,人们对太阳能转化做了很多基础性的研究工作,但缺乏具有实际应用价值的太阳能转化系统。因此,本文以太阳能转化应用的原型器件的构建为主要研究目标,基于太阳能作用于材料的光-电、光-热两种基本转化方式,通过对材料的组成、形貌和结构的设计与调控,优化材料在太阳能向特定形式转化的性能,并设计有利于太阳能定向转化的器件,构建满足不同需求的太阳能转化利用系统。本论文中分别选取了光-电-化学转化应用于光催化降解水中污染物,光热转化应用于光热蒸发水和光热温差发电产氢利用三种应用体系,以探索太阳能的高效转化利用方式。本文的主要研究内容如下:太阳能的光-电-化学转化利用方面,光催化由于能利用光催化剂的光生载流子氧化分解水中的有机污染物而受到广泛研究。在本文中设计并制备了一种适用于连续光催化体系的固载型光催化剂,通过将商用的二氧化钛光催化剂表面用氨基修饰,与表面被羧基修饰的石英纤维毡通过静电作用组装,进而形成化学键实现了牢固的准单层组装,经过后续的煅烧将起桥梁作用的有机物碳化,获得了碳连接的负载型Ti02/石英纤维毡光催化剂。本文中探究了材料的退火温度通过影响碳化程度而对光催化性能的影响,并得到了最优的煅烧温度。最优温度(5000C)下煅烧得到的的碳不仅能够连接催化剂与载体,解决了光催化剂分离回收困难的问题,而且能够促进光催化剂的载流子分离而提高光催化效率。由于石英纤维毡对紫外光的吸收率低,光线能在其中进行透射、折射、散射等实现耦合传输,有利于实现光在催化剂上的均匀分布。亲水化处理Ti02/石英纤维毡能够产生毛细作用,使流经污水中的污染物能与催化剂充分接触,本文中基于此构建了一种毛细作用促进流动的连续光催化反应器,实现了高效的连续光催化降解水中的污染物。本文中构建的光催化系统,对实际工厂中的废水具有极高的净化效果,证明了该光催化体系巨大的应用潜力,为利用太阳能的光-电-化学转化进行环境修复应用提供了可行方案。太阳能的光热利用方面,利用光热效应,将太阳能转化为热能用于蒸发水,在海水淡化、污水净化、蒸汽发电等方面具有巨大的应用潜力。提高光热蒸发水体系效率,首先要寻找一种太阳光吸收率高且结构有利于水蒸发的光热转化材料。本文中将钛酸纳米带采用自模板法在氨气气氛下高温煅烧,探究了不同氮化温度对光热性能的影响。在800℃下氮化得到了氮化钛(TiN)纳米带,其作为一种非贵金属等离子体共振吸收材料,相比贵金属(如Au)局域表面等离子共振材料,TiN对太阳光的响应波段更宽,光热转化效率更高。由于氮化过程中的局部收缩,TiN纳米带形成了纳米颗粒连接成的纳米多孔结构,增大了比表面积,同时表面部分氧化使其具有超高的亲水性,增强了材料与水的接触从而有利于热量的传递,纳米孔道结构还有利于水和蒸气的输运,从而加快了水的蒸发速率。进一步地,受到植物蒸腾作用的启发,将光热材料负载于陶瓷板表面进行光热转化蒸发水,利用毛细作用从水体中吸水并输运到光热材料,同时隔热材料能大大减少热量向下方水体散失,整个光热蒸发水器件漂浮在水面上实现表面局域加热,从而构成了高效的光热水蒸发装置。该系统在4kW/m2光照下光热蒸发水的效率达到了 93.6%,利用其搭建的蒸馏水装置在户外真实太阳光照下的演示实验中实现了对自来水和模拟海水高效淡化。该部分工作对光热蒸发水的大规模应用提供了一个高效且低成本的方案。基于光-热、热-电和电-化学效应耦合的太阳能利用系统。由于人类生产生活中需要多种形式的能量,以及太阳能的周期性变化,将太阳能转化为其他形式的能量进行利用和储存具有极大的应用价值。在热电器件表面组装高效的光热转化材料构成光热温差发电装置,能够将太阳能通过光热-热电转化输出电能。相比于光伏发电和光热驱动汽轮机发电,这种发电装置结构简单、灵活便携、成本低。因此,本文选取了石蜡作为碳源,通过火焰合成法在热电器件的表面原位制备一层超细的碳纳米颗粒,构成光热转化层。通过成分和结构表征证明了这些碳纳米颗粒的成分以无定形碳为主,由其组成的光吸收层具有微观孔道结构构成了光学“陷阱”,吸收光谱证实了该光吸收层对全光谱太阳光具有超高的吸收性能。原位合成的方法实现了光热材料与热电器件的紧密接触,提高了传热效率。在此基础上,在光热器件的冷端装配散热装置,在热端装配表面减反射处理的有机玻璃罩,从而减少了热损失并提高了冷热两端的温差,构建了一个高效率的光热温差发电装置。测试表明所构建的太阳能光热-热电耦合发电装置的发电效率比未经处理的温差发电片提高了 34倍。进一步地,在真实太阳光照射下,该发电装置能够驱动电解水获得清洁的氢燃料,将太阳能最终转化为化学能的形式储存下来。该发电装置还能驱动小型电风扇运转,表明了其高效的电输出能力。该部分工作为家用、小型、便携以及偏远地区的用电需求提供了一种新的选择,并且提供了一种太阳能转化利用及储存的可行途径。