由于能源与环境问题,近些年来各种可再生能源及新能源的研究成为热点,其中热电转换技术是通过半导体材料的热电效应实现热能与电能直接相互转换的技术,受到广泛关注。热电器件由于其没有流体工质和压缩膨胀等运动部件,因而没有震动和噪生、可靠性高,而且不产生污染,对环境无破坏,应用前景广泛。开展相关基础理论研究,优化热电器件结构,提高其性能对于大规模工业应用十分必要。虽然热阻模型和一维热传导模型已经被发展并用于热电性能的研究,但由于模型限制,仍有诸多关键问题未能解决。比如,只能采用常物性或温度平均物性,无法考虑热损,更重要的是没有求解电流密度,无法考虑温度场和电势场的耦合效应。因此,有必要从半导体热电材料中电子和空穴的输运机理出发,通过深层次剖析半导体热电技术中涉及的热电效应,发展通用的热电单元／器件三维、稳态和瞬态多物理场耦合数学模型。模型真正实现了温度场和电势场的耦合求解,同时考虑了热电技术中涉及的所有效应,包括：傅立叶热传导,对流和辐射换热,赛贝克效应,珀尔帖效应,汤姆逊效应,焦耳热效应,以及半导体材料变物性效应。详细分析了材料变物性、热损对热电单元/器件性能的影响,以及操作工况或外部环境发生变化时,热电器件的瞬态响应特性。本文定量比较了本文的三维多物理场耦合模型与以往的热阻模型对热电单元/器件性能的预测精度,发现热阻模型对热电发电器转换效率的高估可达39%,并从内部传热机理出发,解释了热阻模型显著高估热电性能的原因；从热电器件最终性能表现给出了热电器件热防护设计参考准则；从热电效应的发生机制揭示了热电单元／器件制冷量或输出功出现下冲或过冲现象的背后机理。热电器件几何结构设计强烈影响热电性能。以往单参数的研究中,对于某一特定参数的优化,其最优值的获得是通过搜寻此参数,同时维持其他搜寻参数不变的情况下而获得的。然而,所有搜寻参数是耦合影响热电器件性能的,所以不能够仅通过某一个参数的优化而获得热电器件的最佳性能。因此,为了真正获得热电器件最优的操作条件和结构设计,将多物理场耦合热电模型作为正向求解器,简化的共轭梯度法作为反向求解器,通过发展接口技术,将二者耦合,开发出了热电器件多参数、多目标同时优化的反问题最佳化方法,通过优化,热电发电器的发电功率能够提高2.69到8.93倍。当热电器件/系统中的热源形式存在温度不均时,不同热电单元之间性能差异明显,单个热电单元的研究不足以表征热电器件/系统的整体性能,需要对热电器件/系统进行整体建模研究。通过引入一个实际的汽车尾气回收热电发电系统,以汽车尾气为实际热源形式,冷源采用水冷热沉,以提升汽车尾气热电发电系统的整体性能为基本出发点,重点讨论了当热源温度不均匀性时,热电单元对数以及两种客观约束条件下热电单元的排布优化问题。