У термоелектричних холодильниках трансформатором теплоти є термоелектрична батарея, складена з великої кількості послідовно з'єднаних напівпровідників (термоелементів) з електронною і дірковою провідністю. В основі роботи термоелектричних трансформаторів теплоти лежить явище Пельтьє.

При пропущенні постійного електричного струму від позитивного елемента до негативного, в місці їх контакту (спаю) відбувається виділення теплоти, а при зворотному напрямку струму - поглинання.Таким чином, в термоелектричної батареї чергуються гарячі спаї, в яких виділяються теплота в верхній температурний рівень і холодні спаї, поглинаючі теплоту, - нижній температурний рівень.

Фізична сутність явищ термоелектричного охолодження і нагріву полягає в наступному. У місці спаю двох різнорідних провідників виникає внутрішня (контактна) різниця потенціалів, зумовлена ​​різною роботою виходу електронів. При пропущенні струму по ланцюгу термоелементів в одному контакті, де напрямок потоку електронів збігається з контактною різницею потенціалів, кінетична енергія електронів зростає і спай нагрівається. В іншому спаї контактна різниця потенціалів гальмує електрони (їм необхідно подолати енергетичний бар'єр, на що потрібно енергія) і спай охолоджується. При зміні напрямку струму становище змінюється на протилежне.

Теплота, що виділяється гарячими спаями або поглинена холодними, носить назву теплоти Пельтьє