Die thermodynamische Effizienzgrenze ist die theoretisch maximal mögliche Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht in Elektrizität. Ihr Wert liegt bei etwa 86%. Dies ist die Chambadal-Novikov-Effizienz, eine Annäherung an die Carnot-Grenze, basierend auf der Temperatur der Photonen, die von der Sonnenoberfläche emittiert werden.

Wirkung der Bandlückenenergie
Solarzellen arbeiten als Quantenenergieumwandlungsvorrichtungen und unterliegen daher der thermodynamischen Effizienzgrenze. Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke des Absorbermaterials können kein Elektron-Loch-Paar erzeugen, und so wird ihre Energie nicht in nützliche Leistung umgewandelt und erzeugt nur Wärme, wenn sie absorbiert wird. Für Photonen mit einer Energie oberhalb der Bandlückenenergie kann nur ein Bruchteil der Energie oberhalb der Bandlücke in eine nützliche Ausgabe umgewandelt werden. Wenn ein Photon größerer Energie absorbiert wird, wird die überschüssige Energie oberhalb der Bandlücke in kinetische Energie der Trägerrekombination umgewandelt. Die überschüssige kinetische Energie wird durch Phononwechselwirkungen in Wärme umgewandelt, während sich die kinetische Energie der Träger auf die Gleichgewichtsgeschwindigkeit verlangsamt. Daher kann die Sonnenenergie nicht über eine bestimmte Grenze hinaus in Strom umgewandelt werden.

Solarzellen mit mehreren Bandlückenabsorbermaterialien verbessern die Effizienz, indem sie das Sonnenspektrum in kleinere Behälter aufteilen, in denen die thermodynamische Effizienzgrenze für jeden Behälter höher ist. Die thermodynamischen Grenzen solcher Zellen (auch Multi-Junction-Zellen oder Tandemzellen genannt) können mit dem Online-Simulator in nanoHUB analysiert werden.

Effizienzgrenzen für verschiedene Solarzellen-Technologien
Die thermodynamischen Effizienzgrenzen für verschiedene Solarzellen-Technologien sind wie folgt:

Einzelverbindungen ≈ 31%
3-Zellen-Stacks und unreine PVs ≈ 50%
Hot Carrier- oder Stoßionisations-basierte Geräte ≈ 54-68%
Kommerzielle Module sind ≈ 12-21%
Solarzelle mit einem Upconverter für den Betrieb im AM1.5 Spektrum und mit einer 2eV Bandlücke ≈ 50.7%

Thermodynamische Effizienzgrenze für exzitonische Solarzellen
Exzitonische Solarzellen erzeugen im Gegensatz zu anorganischen und kristallinen Solarzellen freie Ladung durch gebundene und intermediäre Exzitonenzustände. Die Effizienz der exzitonischen Solarzellen und anorganischen Solarzellen (mit weniger Exzitonenbindungsenergie) kann nicht über 31% hinausgehen, wie von Shockley und Queisser erklärt.

Thermodynamische Effizienzgrenzen mit Trägermultiplikation
Die Trägermultiplikation erleichtert die Erzeugung mehrerer Elektron-Loch-Paare für jedes absorbierte Photon. Effizienzgrenzen für photovoltaische Zellen können unter Berücksichtigung thermodynamischer Effekte theoretisch höher sein. Für eine Solarzelle, die von der unkonzentrierten Schwarzkörperstrahlung der Sonne gespeist wird, beträgt der theoretische maximale Wirkungsgrad 43%, wohingegen für eine Solarzelle, die durch die volle konzentrierte Strahlung der Sonne betrieben wird, die Effizienzgrenze bei 85% liegt. Diese hohen Wirkungsgrade sind nur möglich, wenn die Solarzellen eine strahlende Rekombination und Trägermultiplikation verwenden.