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一塊導體或者半導體的兩端如果溫度不同就會產(chǎn)生溫差電動勢，稱為賽貝克效應，利用這個原理發(fā)電就叫溫差發(fā)電。
圖1為簡單的溫差發(fā)電元件（或稱溫差電池），N型半導體1和P型半導體2在一端用金屬片3連接起來，另一端接負載電阻R。當一端加熱至溫度T1，而另一端保持在溫度T0時，回路中產(chǎn)生溫差電動勢，使負載電阻上有電流I流過，根據(jù)塞貝克定律
式中α為電池兩臂溫差電動勢率之和，r為兩臂的內阻之和。
r＝(ρ1/s1+ρ2/s2)l
式中ρ1、ρ2、 s1、s2分別表示兩臂的電阻率和橫截面積；l表示兩臂的長度。負載電阻上得到的功率為
溫差發(fā)電效率的定義是外電路中得到的有用電能I2R與熱源所消耗的能量之比。熱源消耗的能量包括以下幾項：
① 在熱端吸收的珀爾帖熱Q1
Q1＝α2T1(T1-T0)/(R+r)
② 由熱端傳導到冷端的熱量Qm
Qm＝K(T1-T0)
式中K為熱導
K＝(λ1s1+λ2s2)/l
式中λ1、λ2分別為兩臂的熱導率。
③ 溫差電池內部，電流I流過所放出的焦耳熱中，有一半將轉移到熱端，因而把功率還給熱源。
湯姆遜熱較小，可以忽略不計。在最大輸出功率條件下，即R＝r時，溫差電池的效率為
式中
稱為溫差材料的品質因數(shù)。如果選
則得最大效率為
因此，溫差發(fā)電機的效率主要取決于熱端和冷端的溫度和溫差發(fā)電材料的品質因數(shù)Z，Z值還強烈地依賴于溫度，因而對于不同的工作溫度需要選取不同的材料。
最早用的溫差發(fā)電材料為ZnSb合金(P型),用康銅片(N型)連接，其熱端溫度可達400。Bi2Te3-Bi2Se3固溶體(N型)和Bi2Te3-Sb2Te3固溶體在0～300范圍內具有較高品質因數(shù)(),是較好的低溫溫差發(fā)電材料。在300到600的中等溫區(qū),常采用PbTe或PbTe與SnTe或 PbSe的固溶體、GeTe、AgSbTe2等作溫差發(fā)電材料。600以上的高溫發(fā)電材料有Ge-Si合金、MnTe等。人們對稀土元素的硫化物、碳硼化合物以及In-Ga-As系已作了較多的研究。
在溫差發(fā)電機中，在較大溫差下，為了使溫差電池臂的所有部分都具有較高品質因數(shù)，可采取“分段”的辦法,處于不同溫度的電偶臂的各段,采用不同材料或不同成分。圖2a的兩段電偶臂采用不同材料。這種結構當上端溫度為550、溫差為530時，效率可達12％。圖2b是成分分段改變的溫差電池，當熱端溫度為1000K,冷端溫度為300K時效率可達12％～15％。
半導體溫差發(fā)電機無轉動部分，因而無噪聲、壽命長、工作穩(wěn)定可靠、輕便，且可利用各種能源，包括固、液、氣態(tài)燃料,太陽能、核能,以及各種設備的廢熱、余熱等，因而特別適用于軍事、勘探和邊遠地區(qū)等的小功率發(fā)電和星際航行。
80年代美國已研制成 500瓦的軍用溫差發(fā)電機。利用同位素加熱的核能溫差發(fā)電機已應用于航天。
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