Proces termoelektryczny to bezpośrednia konwersja ciepła na energię elektryczną i z powrotem podczas ogrzewania lub chłodzenia obiektu. Materiały termoelektryczne mogą służyć do pomiaru zmian temperatury, zmiany rzeczywistej temperatury obiektu i generowania ładunku elektrycznego, który można wykorzystać do generowania mocy. W 2011 r. materiały termoelektryczne były zbyt nieefektywne, aby były użyteczne, ale inżynierowie motoryzacyjni próbują wykorzystać je do zebrania zmarnowanej energii cieplnej z pojazdu i przekształcenia jej w użyteczną energię elektryczną. Naukowcy starają się zwiększyć wydajność materiałów termoelektrycznych, aby uczynić je bardziej ekonomicznymi, aby mogły być wykorzystywane do tworzenia tanich i wydajniejszych lodówek, klimatyzatorów i innych urządzeń wymagających chłodzenia.
Procesy termoelektryczne zachodzą dzięki efektowi Peltiera, który polega na chłodzeniu i nagrzewaniu przeciwnych złączy w obwodach elektrycznych zawierających odmienne półprzewodniki. Materiały termoelektryczne mogą być używane do tworzenia urządzeń chłodzących lub do zapewnienia chłodzenia. Jednym z powszechnie stosowanych obecnie materiałów termoelektrycznych jest tellurek bizmutu, drogi związek, który może kosztować nawet 1,000 dolarów amerykańskich (USD)/funt (2,000 USD/kg). Odpowiednio przygotowany, ten termoelektryczny materiał zapewnia niezawodne zmiany temperatury w zakresie od 14 do 266 stopni F (-10 do 130 stopni C). Systemy termoelektryczne działają niezawodnie i precyzyjnie bez hałasu konwencjonalnych systemów ogrzewania, chłodzenia i chłodzenia oraz bez szkodliwych dla środowiska chlorofluorowęglowodorów (CFC).
Od kilku lat Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) wykorzystuje moc materiałów termoelektrycznych do zasilania sond kosmicznych w najgłębszych zakątkach kosmosu, tak daleko od Słońca, że panele słoneczne są bezużyteczne. Proces obejmuje osadzanie materiału jądrowego w radioizotopowym generatorze termicznym, w którym rozpad radiologiczny wytwarza energię cieplną, która jest następnie przekształcana w energię elektryczną, która zasila sondę. Jest to ten sam proces, który inżynierowie motoryzacyjni próbują wykorzystać z ciepła wydechowego silników samochodowych — ciepła, które można zamienić na energię elektryczną do napędzania samochodu.
Badania i rozwój w zakresie materiałów termoelektrycznych są prowadzone przez Energy Frontier Research Center w Massachusetts Institute of Technology (MIT). Tam badacze i naukowcy dokonali kilku dość znaczących odkryć, takich jak połączenie nieporządku termicznego i struktur elektronowych w skończonej temperaturze. Obecne wyzwania w tej dziedzinie to identyfikacja lub synteza nowych, jeszcze nieodkrytych materiałów o bardziej wydajnych zdolnościach termoelektrycznych. Postępy w tej dziedzinie mogą umożliwić opracowanie materiałów wytwarzających energię elektryczną z ciepła odpadowego, zapewniając zrównoważone globalne rozwiązanie energetyczne.