利用金属加热后，在等离子体或真空中发射热电子以提供电能的一种直接发电方式。热离子发电装置主要由两个相距很近并置于铯蒸气中的金属板(或金属圆筒)组成。一个作发射极，受热获得足够能量后，电子从表面逸出。一个作收集极，接受电子。热电子从发射极通过两极空间间隙流向收集极，在两极间形成电势差。接通外部电路就成为低压直流电源。热离子发电容量较小(几十瓦)，效率低(10%～20%），但重量轻、无转动部分，可应用于开发宇宙和海洋的移动电源。