多級復疊式熱電堆可比單級熱電堆獲得更大的溫差，但同時降低了熱電堆的制冷量(假定多級復疊式熱電堆第一級的熱電對數，與單級熱電堆包含的熱電對數相同)。

　　多級復疊式熱電堆，按電流流動方向可分為串聯型制冷熱電堆、并聯型制冷熱電堆以及串并聯型制冷熱電堆。串聯型兩級復疊式熱電堆電流在左下方流入和流出。第一級熱電堆通過匯流條與第二級熱電堆串聯。 串聯型兩級復疊式熱電堆，在前一級的冷端與后一級的熱端之間，需設置電絕緣層。這一層材料應有好的導熱性，以減少絕緣層4兩側的溫差，因此將該層稱為導熱的電絕緣層。常用的導熱的電絕緣層有三種，在冷庫工程中應用很廣泛。