الحد من الكفاءة الديناميكية الحرارية هو أقصى قدر ممكن من كفاءة التحويل من الناحية النظرية لأشعة الشمس إلى الكهرباء. تبلغ قيمته 86٪ ، وهي كفاءة الشمادال-نوفيكوف ، وهو تقريب مرتبط بحدود كارنوت ، بناءً على درجة حرارة الفوتونات المنبعثة من سطح الشمس.

تأثير طاقة فجوة النطاق
تعمل الخلايا الشمسية كأجهزة لتحويل الطاقة الكمومية ، وبالتالي فهي تخضع لحدود الكفاءة الديناميكية الحرارية. لا تستطيع الفوتونات التي تحتوي على طاقة أقل من فجوة النطاق لمادة الامتصاص أن تولد زوجًا من ثقب الإلكترون ، وبالتالي لا يتم تحويل طاقتها إلى خرج مفيد وتولد فقط الحرارة إذا تم امتصاصها. بالنسبة للفوتونات التي تحتوي على طاقة أعلى من طاقة فجوة النطاق ، يمكن تحويل جزء بسيط من الطاقة فوق فجوة النطاق إلى خرج مفيد. عندما يتم امتصاص فوتون ذو طاقة أكبر ، يتم تحويل الطاقة الزائدة فوق فجوة النطاق إلى طاقة حركية لإعادة تركيب الناقل. يتم تحويل الطاقة الحركية الزائدة إلى حرارة من خلال تفاعلات الفونون حيث أن الطاقة الحركية للحاملات تبطئ إلى سرعة التوازن. وبالتالي ، لا يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء تتجاوز حد معين.

تعمل الخلايا الشمسية ذات مواد امتصاص الفجوة متعددة النطاق على تحسين الكفاءة من خلال تقسيم الطيف الشمسي إلى حاويات أصغر حيث يكون حد الكفاءة الديناميكية الحرارية أعلى لكل حاوية. يمكن تحليل الحدود الديناميكية الحرارية لهذه الخلايا (وتسمى أيضًا خلايا متعددة الوصلات ، أو الخلايا الترادفية) باستخدام وجهاز محاكاة عبر الإنترنت في nanoHUB.

حدود الكفاءة لتكنولوجيات الخلايا الشمسية المختلفة
حدود الكفاءة الديناميكية الحرارية لتقنيات الخلايا الشمسية المختلفة هي كما يلي:

تقاطعات واحدة ≈ 31 ٪
مكدسات الخلايا 3 و PVs النجاسة ≈ 50 ٪
الأجهزة القائمة على التأين الحامل أو التأين ≈ 54-68٪
الوحدات التجارية هي ≈ 12-21 ٪
خلية شمسية مزودة بمحول كهربائي للتشغيل في الطيف AM1.5 ومع نطاق ترددي 2eV ≈ 50.7٪

الحد من الكفاءة الديناميكية الحرارية للخلايا الشمسية الاستثارة
الخلايا الشمسية المستثارة تولد الشحنات الحرة عن طريق حالات exciton ملزمة ووسيطة على عكس الخلايا الشمسية غير العضوية والبلورية. لا يمكن أن تتجاوز كفاءة الخلايا الشمسية المثيرة للإنتباه والخلايا الشمسية غير العضوية (مع طاقة أقل من إكسيتون ملزمة) 31٪ كما هو موضح من قبل Shockley و Queisser.

حدود الكفاءة الديناميكية الحرارية مع مضاعفة الناقل
يسهل تكاثر الحامل العديد من جيل زوج الإلكترون الثقب لكل فوتون ممتص. يمكن أن تكون حدود كفاءة الخلايا الكهروضوئية أعلى نظريًا نظرًا لتأثيرات الديناميكية الحرارية. بالنسبة لخلية شمسية مدعومة بإشعاع الجسم الأسود غير المرئي من الشمس ، فإن أقصى كفاءة نظرية هي 43٪ في حين أنه بالنسبة لخلية شمسية مدعومة بإشعاع الشمس الكامل التركيز ، فإن حد الكفاءة يصل إلى 85٪. هذه القيم العالية للكفاءة ممكنة فقط عندما تستخدم الخلايا الشمسية إعادة التركيب الإشعاعي وتكاثر الحامل.