固体热电转换技术是一种能实现热能与电能直接相互转换的绿色能源技术。热电器件的转换效率主要受制于卡诺效率和材料本身的热电优值,因此,有效提高材料的工作温区和热电优值是增强热电器件转换效率的关键。Half-Heusler化合物具有优异的电学和机械性能、良好的热稳定性以及相对廉价的组成元素等大规模商业化应用所需的诸多优势,是近年来被广为研究的高温热电材料。当前N型half-Heusler化合物的最优热电优值已超过1,开发与之相匹配的P型材料是推动该体系作为高温功率发电应用的关键所在,也是近年来half-Heusler热电材料研究的主要方向。本文以FeRSb (R=V, Nb)基half-Heusler化合物为研究对象,通过能带工程与声子工程设计,开发出新型高优值的P型Fe(V,Nb)Sb基重带half-Heusler热电材料。采用单抛物带模型和Debye-Callaway模型分别对该重带热电材料的电子和声子输运特性进行深入分析,探索出其性能优化的新策略并大幅提升其热电优值,并基于该新材料开发出原型的half-Heusler热电模块,获得以下主要研究成果：1)采用悬浮熔炼结合放电等离子体烧结技术成功制备出纯相的FeRSb化合物,通过Nb合金化同时引入强的质量波动和应力场波动有效增强了FeVSb的声子点缺陷散射、大幅度降低其晶格热导率。通过施主掺杂实现N型FeV0.6Nb0.4Sb化合物的性能优化,最高热电优值在650 K时达到0.33。2)通过第一性原理计算获得FeRSb的能带结构,发现FeRSb的价带存在多简并能谷特征,有高热电优值潜力。实验采用高含量Ti掺杂制备的P型Fe(V0.6Nb0.4)1-xTixSb固溶体的热电优值在900K达到0.8。进一步的能带结构结果分析表明FeNbSb的价带有效质量低于FeVSb的价带有效质量,同时FeNbSb具有更大的禁带宽度。实验通过提高Fe(V,Nb)Sb固溶体中的Nb含量来降低价带有效质量,有效提高了载流子迁移率并抑制少子激发,最终发现P型FeNb1-xTixSb化合物的zT值在1100 K时高达1.1。3) P型FeNbSb化合物作为典型的重带热电材料,与传统轻带热电材料相比具有明显不同的特点：高态密度有效质量、高优化载流子浓度和优化掺杂量等。通过合理选择重元素Hf掺杂,进一步实现了FeNbSb电学性能和热导率的解耦及热电性能的协同优化,使得其热电优值显著改善,在1200K时高达1.5。这是目前half-Heusler热电材料获得的最高值,也显著优于目前已知的其他典型高温热电材料。基于该P型材料和N型ZrNiSn基化合物,设计组装了8×8原型高温half-Heusler热电模块。实验测试表明该模块的转换效率在655 K温差下约为6.2%,功率密度高达2.2W/cm2。这一研究成果对于half-Heusler热电材料作为高温功率发电应用有着重要的推动作用。4)发现P型重带FeNbSb热电材料的载流子平均自由程接近Ioffe-Regel极限,在其中引入亚微米尺度的晶界、原子尺度的点缺陷以及电声作用等多尺度声子散射中心,可以在不损失迁移率的同时使得FeNbSb的晶格热导率大幅度下降。最终在具有多尺度散射中心的Fe1.05Nb0.75Ti0.25Sb材料中实现了热电优值改善,在1150 K时达到1.34。这表明多尺度声子散射方法可以有效改善重带半导体材料的热电性能。5)发现P型FeV1-xNbxSb化合物的最高zT值和质量因子B*均随着基体中Nb含量增加而增大,这一变化规律与其他热电体系中的最高zT值往往出现在固溶体中有显著差异。其原因在于：a)随着基体Nb含量增大,单带有效质量下降、禁带宽度升高,使得载流子迁移率提高并抑制少子激发；b)高含量的Hf、Zr、Ti掺杂已经导致FeVSb和FeNbSb晶格热导率大幅度下降,进一步形成的V/Nb无序对晶格热导率的降低作用有限；c)Hf、Zr、Ti在Nb含量高的基体中具有更高的固溶度和掺杂效率,从而使得最优载流子浓度得以实现。以上结果表明形成固溶体对热电材料性能的影响是多方面的,因此需要对其进行综合分析。