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热电材料利用塞贝克效应和帕尔贴效应可实现热能与电能的直接相互转换，在清洁能源、特殊电源及制冷等领域具有广阔的应用前景。硅锗合金是目前最重要的高温热电材料，以其为核心转换材料的热电器件具有质量轻、比功率高、机械性能好、寿命长等优点，引起了人们的广泛关注。提高热电器件转换效率和输出功率的方法主要有改善转换材料的热电性能、优化元件的设计和制备工艺、提升系统的集成技术等。在材料方面，目前p型硅锗合金的热电性能落后于n型硅锗合金，严重限制了硅锗合金器件的性能优化;在元件方面，目前关于硅锗合金元件的设计、制备及其内部存在的电热输运机理等方面的报道较少，且多数报道并未披露具体的设计、制备和性能等细节。因此，进行p型硅锗合金热电材料与元件的制备及性能研究具有重要意义。 本论文围绕p型硅锗合金材料的制备与热电性能优化，p型硅锗合金热电元件的设计、制备以及可靠性、界面接触性能等方面展开系统的研究，主要研究结果如下: 1、采用感应熔炼法实现Si80Ge20合金的固溶以及B元素的掺杂，并将铸锭置于1150℃下退火48h获得成分较为均匀的p型硅锗合金热电材料。利用球磨法引入具有宽粒径分布范围(50nm～3.8μm)的MoSi2颗粒使其均匀分布在微米级的Si80Ge20B1基体中。优化MoSi2第二相的含量，利用MoSi2颗粒与基体相界面的势垒散射作用和能量过滤效应提高复合材料的电性能，利用宽粒径分布的MoSi2颗粒对不同波长声子的散射作用降低复合材料的热导率，实现复合材料电热输运性能的协同调控。其中，Si80Ge20B1+0.8vol％MoSi2 BM复合材料在1000K时功率因子较Si80Ge20B1基体提高6.3％，热导率降低11％，热电优值ZT提高约19％。 2、采用感应熔炼法制备具有更优载流子浓度的Si80Ge20B0.6基体，利用球磨法与放电等离子烧结制备了SiC第二相(50～200nm)均匀分布的Si80Ge20B0.6-SiC纳米复合热电材料。球磨导致的基体晶粒尺寸的降低显著增加了材料的晶界数量，与此同时基体中均匀分布的纳米SiC颗粒提供了额外的散射中心和界面，均可有效增强声子散射，降低材料的晶格热导率。在纳米结构化与SiC纳米复合的共同作用下，材料在1000K时热电优值ZT达到了0.62，较Si80Ge20B0.6基体提高了17％，较RTG使用的p型SiGe(ZT=0.48@T=1000K)提高了约30％。 3、根据电极选用原则设计具有“三明治”结构的W-Si3N4/TiB2-Si3N4/p-SiGe热电元件。70vol％W+30vol％ Si3N4复合材料具有与SiGe材料十分匹配的热膨胀系数及远高于SiGe材料的电导率与热导率，是SiGe热电元件合适的电极材料。(100-x)vol％ TiB2+x vol％ Si3N4(0≤x≤40)复合材料能够有效防止W-Si3N4电极与SiGe热电材料之间的相互扩散和反应，是SiGe热电元件合适的阻挡层材料。利用放电等离子烧结(SPS，SparkPlasma Sintering)可同时完成各层材料的致密化与各层材料的相互连接两个核心制备过程，即实现W-Si3N4/TiB2-Si3N4/p-SiGe元件的一步法制备，且通过优化SPS制备工艺使元件获得了良好的界面结构与接触性能。 4、系统研究阻挡层的成分对W-Si3N4/TiB2-Si3N4/p-SiGe热电元件界面稳定性与电接触性能的影响。一方面，随Si3N4含量增加，(100-x)vol％ TiB2+x vol％ Si3N4(0≤x≤40)阻挡层与SiGe热电层的热膨胀系数匹配度逐渐提高，元件接头处的热应力逐渐减小，元件的界面结构稳定性逐渐提高。另一方面，随Si3N4含量增加，元件W-Si3N4/TiB2-Si3N4界面和TiB2-Si3N4/SiGe界面的接触电阻逐渐增大，TiB2-Si3N4自身的电阻也逐渐增大，导致元件的接触电阻率逐渐增大。其中，70vol％W+30vol％ Si3N4/80vol％ TiB2+20vol％Si3N4/p-SiGe元件加速试验前室温接触电阻率为15μΩ·cm2，1000℃加速试验120h后室温接触电阻率为75μΩ·cm2，1100℃加速试验120h后仍保持良好的界面结构，即具有良好的结构稳定性与化学稳定性的同时能够保证足够小的接触电阻率，是本工作中p型硅锗合金元件的最佳设计。