Thermoelektrik bezeichnet die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und umgekehrt in festen oder weichen Festkörpern. Zentrale physikalische Grundlage ist der Seebeck-Effekt, bei dem ein Temperaturgradient in einem Leiter oder Halbleiter eine elektrische Spannung erzeugt. Umgekehrt beschreibt der Peltier‑Effekt die Wärmeströme, die beim Durchfluss eines elektrischen Stroms entstehen.

Die Leistungsfähigkeit eines thermoelektrischen Werkstoffs wird durch die dimensionslose Gütezahl ZT = S²σT/κ charakterisiert, wobei S der Seebeck‑Koeffizient, σ die elektrische Leitfähigkeit, κ die Wärmeleitfähigkeit und T die absolute Temperatur ist. Ein hoher Seebeck‑Koeffizient und hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig niedriger Wärmeleitfähigkeit sind erforderlich, was zu einem ausgeprägten Zielkonflikt in der Materialentwicklung führt.

Konventionelle thermoelektrische Materialien sind stark dotierte anorganische Halbleiter wie Bi₂Te₃, PbTe oder skutteruditische und clathratartige Phasen. Moderne Ansätze nutzen Nanostrukturierung und Bandstrukturingenieurwesen, um die Gitterwärmeleitfähigkeit zu senken und die Ladungsträgertransport­eigenschaften zu optimieren. Parallel dazu entwickelt die organische Thermoelektrik leitfähige Polymere und Hybridmaterialien, die zwar meist geringere ZT-Werte besitzen, aber Vorteile hinsichtlich Verarbeitung, Flexibilität und Verfügbarkeit bieten.

Anwendungen thermoelektrischer Systeme reichen von Energieernte aus Abwärme (z.B. in Automobilabgasanlagen oder Industrieprozessen) bis zu präzisen Festkörperkühlungen in Optoelektronik und Sensorsystemen. Für die weitere technologische Etablierung sind eine Erhöhung der thermoelektrischen Leistung, verbesserte Langzeitstabilität, Skalierbarkeit und die Reduktion kritischer bzw. toxischer Elemente entscheidend.