为应对全球气候变化实现可持续发展,太阳能作为清洁的可再生能源被广泛关注、寄予厚望。无论光伏还是光热利用,存在太阳能全光谱能量转换利用效率低的科技难题。如何实现太阳能全光谱能量的高效转换是当前国际太阳能研究领域的前沿。聚光太阳能全光谱能量转化是一个重要研究方向,本学位论文依托国家自然科学基金重大项目,从实现太阳能全光谱能“质”梯级利用层面,在太阳能全光谱能量转化过程不可逆性发生机制、光伏-光热化学互补增效方法、以及实验验证三个方面,探索如何高效实现聚光太阳能全光谱能质梯级利用的研究。从热力学理论角度,聚光太阳能作为能源具有能“量”和能“质”的属性。本文从聚光太阳能全光谱的最大作功能力研究入手,初步构建聚光太阳能全光谱最大作功能力模型,针对光伏和光热转换过程,探析紫外、可见光、红外各个波段能量的最大作功能力和品位,研究波长等关键参数对最大作功能力及品位的影响。尝试探索聚光太阳能全光谱能量转化过程的不可逆性,给出不可逆损失表达式,揭示各个波段能量转化过程不可逆损失分布特点,为探索聚光太阳能全光谱最大作功能力(能质)梯级利用的增效方法提供科学依据。依据紫外、可见、红外各波段的能量品位,分别探索了“聚光透光光伏-光热化学互补增效方法”和“双层槽式聚光光伏-光热甲醇裂解互补方法”。从减小光电转化过程红外波段的作功能力损失,研究聚光透光光伏-光热化学互补增效方法。通过构建透光电池物理模型,给出透光电池截止波长与带隙能间的相互关系,针对晶硅、碲化镉等透光电池,分析不同透光电池的光电转化性能;在此基础上,以典型单晶硅、碲化镉透光电池为例,分析透光光伏电、光伏余热、透过波段三者之间的能量比例关系,研究透光电池透光能量比率对光热反应转化性能的影响。另外,从聚光源头减小最大作功能力损失思路,探索先分光、后聚光的聚光方法,研究双层槽式聚光光伏-光热甲醇裂解互补方法。通过构建互补系统能量转换模型,描述光伏发电过程和光热化学过程互补耦合用能机制。结合单晶硅聚光光伏电池和光热甲醇裂解,研究互补系统设计工况性能及能量损失分布特征,分析关键参数对聚光过程、光伏电池光电响应过程和甲醇裂解过程的影响,初步揭示太阳能全光谱增效转换潜力。在上述机理和方法研究基础上,探索先分光、后聚光的双层槽式聚光镜设计方法,给出双层聚光镜镜面设计方程。在此基础上,重点以单晶硅光伏和光热甲醇制氢为研究对象,进一步设计和研制2kWe双层聚光光伏-光热化学互补原理样机实验平台,开展光伏-光热互补增效方法的实验验证。