Die Thermovoltaik ist das Arbeitsgebiet der Physik, das sich mit der direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie befasst.

Wenn zwei unterschiedliche Metalle oder Halbleiter miteinander kontaktiert werden, entsteht je nach deren Stellung in der thermoelektrischen Spannungsreihe meist ein thermoelektrischer Potenzialunterschied. Am anderen Ende der Paarung kann dann eine Spannung gemessen werden, wenn die Kontakt- und die Messstelle unterschiedliche Temperaturen aufweist (Thermoelement). Diese geringe Thermospannung (einige µV/K Temperaturdifferenz) ist bei Belastung oder Kurzschluss mit einem verhältnismäßig hohen Strom verbunden, wenn/weil der Stromweg einen entsprechenden Querschnitt bzw. elektrischen Widerstand aufweist. Auf diese Weise fanden sich Anwendungen, die über die bloße Temperaturmessung hinausgehen.

Während die elektrische Leerlaufspannung (Thermokraft) annähernd proportional zur Temperaturdifferenz ist, wird der elektrische Strom bei Kurzschluss eines Thermoelementes neben der Temperaturdifferenz durch den Leiter-Querschnitt bestimmt. Die Wärmeleitung entlang der Temperaturdifferenz wird selbst bei den geeignetsten Paarungen nur zu einem kleinen Teil durch den elektrischen Strom übernommen. Daher steigt bei Thermogeneratoren die entnehmbare elektrische Leistung annähernd mit dem Quadrat des Wärmestromes bzw. der Wärmeleistung an. Strom und Spannung sind hingegen jeweils grob angenähert proportional zum Wärmestrom. Daraus ergeben sich folgende praktische Anwendungen:

• Thermogenerator: er besteht meist aus einer elektrischen Reihenschaltung von geeigneten Thermoelementen, die parallel im Wärmestrom liegen. Die erzeugte Spannungssumme erreicht auf diese Weise praktisch verwendbare Werte im Volt-Bereich. Die Absoluttemperatur der heißen Seite ist durch das Material auf etwa 120°C begrenzt.
• Zündsicherung (Sicherungselement in Gasbrennern): der durch die Wärme der Gasflamme in einem Thermoelement generierte Strom hält mit wenigen Millivolt, jedoch hohem Strom ein Magnetventil offen.
• Temperaturmessung: es stehen standardisierte Thermopaarungen zur Verfügung, die für maximale Temperaturen von 450 bis etwa 1800°C geeignet sind. Typische Thermospannungen sind 5…40 µV/K Temperaturdifferenz, genaue Angaben finden sich bei den Herstellern.
• Wärmestrommessung/Thermosäule/Bolometer: Temperaturdifferenzen erzeugen an Thermoelementanordnungen eine Spannung, die ein Maß für den Wärmedurchgang oder (bei Infrarot-Strahlungsabsorption) für die Strahlungsleistung oder Leistungsflussdichte ist. Einsatz in der Bauphysik und zur Strahlleistungsmessung

• Thermoelement#Thermoelektrischer Generator
• Peltier-Element