近年来,传统能源造成的环境问题日显突出,人们开始关注清洁能源的开发和利用。太阳能作为一种取之不竭的清洁能源受到人们的重视。其中,光热-蒸汽转化作为一种重要的太阳能转化形式在海水淡化、分馏、灭菌等领域展现出很好的应用前景。然而由于吸收体的光学损耗,以及吸收体与水体和环境之间的热交换所造成的热学损耗,导致传统的光热-蒸汽转化效率较低(～40%),很大程度上限制了其广泛应用。以此为背景,本文从四个方面去解决吸收体的光学损耗问题,热学损耗问题和能量来源问题,并在此基础上尝试一些新的应用,如污水处理、重金属回收以及水电联产等。(1)该部分着重解决吸收体的光学损耗和吸收体通过水体的热传导损耗。文中选用氧化石墨烯薄膜(吸收率>94%)作为吸收体来有效降低吸收体的光学损耗。在结构上充分利用二维材料层间热导率低的特性,同时使吸收体和水体间接接触,通过二维水传输通道的设计同时达到有效水供应与极低的热传导损耗,从而在无需外界聚焦和保温的条件下,获得了～80%的光热-蒸汽转换效率。同时氧化石墨烯薄膜可折叠,为便携式、高效、低成本的太阳能海水淡化技术的发展迈进一步。(2)该部分着重解决吸收体通过对流和辐射对环境的热损耗,并将该技术应用于污水处理。文中提出并实现了“人工蒸腾”结构,突破传统二维平面器件的局限,设计出三维的空心锥形结构,大大缓解了器件在真实环境中对太阳光入射角的依赖性。同时,有效的增大了吸收体的有效蒸发面积,降低了吸收体的蒸发温度,进而有效控制了吸收体对环境的热对流和热辐射损耗。从而在无需外界聚焦和保温的条件下,获得了～85%的光热-蒸汽转换效率。在应用层面,该工作将界面光热-蒸汽转换拓展到重金属污水处理上。实验结果表明:该技术不仅可以得到符合饮用标准的水,同时也可有效的回收重金属(如金和铜等),为高效的太阳能光热-蒸汽的利用和发展提供新的思路。(3)该部分着重解决蒸发过程中能量来源单一(传统仅依靠太阳能),通过引入环境能量来进一步提高蒸发量。文中通过柱状蒸发体的设计,有效的降低蒸发的温度,使其低于环境温度。在该条件下,环境能量由于温差驱动,会以对流和辐射的形式进入吸收体,进而参与到蒸发的过程中来进一步提高蒸发量。实验结果表明:在该条件下,吸收体的蒸发量可达1.62kg/m~2h(1个太阳下),大于仅依靠太阳能条件下100%转化效率下的蒸发量(1个太阳下,1.47kg/m~2h)。该工作概念性的提出引入环境能量,为进一步提高光热-蒸汽的蒸发量提供新的思路。(4)该部分着重利用蒸汽冷凝潜热来实现水电联产的目的。文中吸收体所产生的高温蒸汽被导入到联有热电模块的腔室中进行冷凝,冷凝潜热被储存在腔室中,进而通过热电模块来产生电流。同时,冷凝所得的蒸馏水通过腔室流出,达到水电联产的目的。实验结果表明:在30 kW/m~2的条件下,该装置可获得～27 W/m~2的电能和～74.7%的光热-蒸汽转化效率。此外,由于热存储的设计,在光源关闭后,发电模块仍可持续工作一段时间。该方法有效的结合了太阳能的转化、储存和利用,为水电联产提供了一个有效的途径。