Η θερμοηλεκτρική διαδικασία είναι η άμεση μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια και πάλι πίσω στη θέρμανση ή την ψύξη ενός αντικειμένου. Τα θερμοηλεκτρικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των μεταβολών της θερμοκρασίας, την αλλαγή της πραγματικής θερμοκρασίας ενός αντικειμένου και τη δημιουργία ηλεκτρικού φορτίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας. Το 2011, τα θερμοηλεκτρικά υλικά ήταν πολύ αναποτελεσματικά για να είναι χρήσιμα, αλλά οι μηχανικοί αυτοκινήτων προσπαθούν να τα χρησιμοποιήσουν για να συλλέξουν σπατάλη θερμικής ενέργειας από ένα όχημα και να τη μετατρέψουν σε χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Οι ερευνητές προσπαθούν να αυξήσουν την απόδοση των θερμοηλεκτρικών υλικών για να τα καταστήσουν πιο οικονομικά, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ψυγείων, κλιματιστικών και άλλων συσκευών που απαιτούν ψύξη χαμηλού κόστους και πιο αποτελεσματικά.
Οι θερμοηλεκτρικές διεργασίες συμβαίνουν λόγω του φαινομένου Peltier, το οποίο είναι η ψύξη και η θέρμανση αντίθετων συνδέσεων σε ηλεκτρικά κυκλώματα που περιέχουν ανόμοιους ημιαγωγούς. Τα θερμοηλεκτρικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία συσκευών ψύξης ή για την παροχή ψύξης. Ένα από τα κοινά θερμοηλεκτρικά υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι το τελλουρίδιο του βισμούθιου, μια ακριβή ένωση που μπορεί να κοστίσει έως και $1,000 δολάρια ΗΠΑ (USD)/lb (2,000 $ USD/kg). Όταν προετοιμαστεί σωστά, αυτό το θερμοηλεκτρικό υλικό παράγει αξιόπιστες αλλαγές θερμοκρασίας οπουδήποτε μεταξύ 14 και 266 βαθμών F (-10 έως 130 βαθμών C). Τα θερμοηλεκτρικά συστήματα λειτουργούν αξιόπιστα και με ακρίβεια χωρίς τον θόρυβο των συμβατικών συστημάτων θέρμανσης, ψύξης και ψύξης και χωρίς επιβλαβείς για το περιβάλλον χλωροφθοράνθρακες (CFCs).
Για αρκετά χρόνια, η Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA) έχει εκμεταλλευτεί τη δύναμη των θερμοηλεκτρικών υλικών για την τροφοδοσία των διαστημικών ανιχνευτών στα βαθύτερα σημεία του διαστήματος, τόσο μακριά από τον ήλιο που τα ηλιακά πάνελ είναι άχρηστα. Η διαδικασία περιλαμβάνει την ενσωμάτωση πυρηνικού υλικού σε μια θερμική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων, στην οποία η ραδιολογική διάσπαση παράγει θερμική ενέργεια που στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσει τον καθετήρα. Αυτή είναι η ίδια διαδικασία που προσπαθούν να αξιοποιήσουν οι μηχανικοί αυτοκινήτων από τη θερμότητα των καυσαερίων των κινητήρων αυτοκινήτων – θερμότητα που μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσει το αυτοκίνητο.
Έρευνα και ανάπτυξη σε θερμοηλεκτρικά υλικά διεξάγεται από το Energy Frontier Research Center στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT). Εκεί, ερευνητές και επιστήμονες έχουν κάνει μερικές αρκετά σημαντικές ανακαλύψεις, όπως η σύζευξη θερμικής διαταραχής και ηλεκτρονικών δομών σε μια πεπερασμένη θερμοκρασία. Οι τρέχουσες προκλήσεις σε αυτόν τον τομέα είναι ο εντοπισμός ή η σύνθεση νέων, ακόμη άγνωστων, υλικών με πιο αποτελεσματικές θερμοηλεκτρικές δυνατότητες. Οι εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα μπορεί να επιτρέψουν την ανάπτυξη υλικών που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από την απορριπτόμενη θερμότητα, παρέχοντας μια βιώσιμη παγκόσμια ενεργειακή λύση.