能源短缺和环境污染问题的日益突出使太阳能、氢能等新能源的研究得到广泛关注。提高能源的利用率是解决这些问题的有效途径之一。因此，对材料性能、器件功能、系统设计的深入研究己成为当前各相关领域的热点课题。本论文主要研究热离子器件、热电器件和燃料电池等固态能量转换器件及其耦合系统的性能，探索降低内外不可逆损失的可能途径，建立相应的优化理论，提供性能参数的优化设计准则。研究内容主要分为三个部分。　　第一部分包括第二至第四章，主要研究真空热离子发电器及其耦合系统中的内外不可逆损失对性能的影响。考虑系统外部的热漏损失和内部的主要不可逆损失对真空热离子发电器工作温度的影响，更新了真空热离子发电器模型。通过分析输出电压和极板功函数对输出功率和效率的影响，提供了一些重要参数的最佳选择准则。利用真空热离子器件工作在高温的特性，建立了真空热离子发电器与半导体温差发电器耦合系统。通过能量平衡方程确定真空热离子极板以及半导体发电器低温端温度，导出耦合系统的输出功率和效率解析表达式，讨论输出电压、功函数以及电流对输出功率和效率的影响，确定了主要参数的最佳工作区间。为了利用发固体氧化物燃料电池产生的废热，建立了固体氧化物燃料电池与真空热离子发电器耦合系统。综合考虑系统中的不可逆损失，导出电流密度、输出电压以及面积比之间的关系。计算了耦合系统的最大功率和最大效率，确定了系统的最佳工作区域。结果表明真空热离子发电器可更有效地利用固体氧化物燃料电池产生的废热。　　第二部分即第五章，基于光增热离子太能电池现有理论，建立纳米尺度真空间隙光增热离子太能电池模型，定量分析了不同间隙下量子隧穿和镜像电荷效应对发射电流的影响。讨论了极板间距、电池材料的带隙宽度以及聚光度对转化效率的影响。结果表明降低极板间距至纳米尺度，可有效地提高光增热离子太阳能电池的效率。　　第三部分包含第六和第七章，主要研究量子点器件中电子传输特性及器件性能。建立了外磁场作用下，工作在两个电子库之间的自旋简并量子点热机一般模型。所建模型具有一般性，包含近年来讨论的一些量子点热电模型。在稳态条件下，基于速率方程分析量子点热机的电子传输特性。详尽地讨论了磁场和能级位置对系统性能的影响。计算出最大输出功率和最大效率。确定了磁场、能级位置的优化取值区间。所得结论对不同种类量子点热电器的一般描述具有重要意义。进而建立了磁子驱动三端量子点制冷机模型。讨论了不同工作区间自旋电流和热流的流向。讨论了磁场强度、偏压、能级位置以及库的极化对粒子流和能流的影响，确定了最大制冷率以及性能系数。比较两种不同的制冷策略，得到铁磁绝缘体更适合作为制冷空间的结论。　　本文不仅更新了热离子和热电器件模型，而且构建了新的耦合系统模型。所取得的结果不仅丰富了热离子和热电器件及其耦合系统的理论，而且对这些系统的优化设计与最佳运行提供了理论指导。