Предел термодинамической эффективности — это абсолютная максимальная теоретически возможная эффективность преобразования солнечного света в электричество. Его значение составляет около 86%, что является эффективностью Шамбадала-Новикова, приближением к пределу Карно, основанным на температуре фотонов, испускаемых поверхностью Солнца.

Влияние энергии запрещенной зоны
Солнечные элементы работают как устройства преобразования квантовой энергии и поэтому подвержены термодинамическому пределу эффективности. Фотоны с энергией ниже запрещенной зоны поглощающего материала не могут генерировать электронно-дырочную пару, поэтому их энергия не преобразуется в полезный выход и только генерирует тепло при поглощении. Для фотонов с энергией выше энергии запрещенной зоны только часть энергии выше запрещенной зоны может быть преобразована в полезный выход. Когда поглощается фотон большей энергии, избыточная энергия выше запрещенной зоны превращается в кинетическую энергию рекомбинации носителей. Избыточная кинетическая энергия преобразуется в тепло через фононные взаимодействия, когда кинетическая энергия носителей замедляется до равновесной скорости. Следовательно, солнечная энергия не может быть преобразована в электричество за определенным пределом.

Солнечные элементы с материалами поглотителей с несколькими ленточными зазорами повышают эффективность за счет деления солнечного спектра на более мелкие бункеры, где предельный термодинамический КПД выше для каждого бункера. Термодинамические пределы таких клеток (также называемых многосвязными клетками или тандемными клетками) могут быть проанализированы с использованием и онлайн-симулятора в nanoHUB.

Пределы эффективности для различных технологий солнечных элементов
Термодинамические пределы эффективности для различных технологий солнечных батарей заключаются в следующем:

Одиночные соединения ≈ 31%
3-ячеечные стеки и нечистые PV ≈ 50%
Устройства с горячей несущей или ударной ионизацией ≈ 54-68%
Коммерческие модули составляют ≈ 12-21%
Солнечная батарея с повышающим преобразователем для работы в спектре AM1.5 и с запрещенной зоной 2 эВ ≈ 50,7%

Предел термодинамической эффективности для экситонных солнечных элементов
Экситонные солнечные элементы генерируют свободный заряд связанными и промежуточными состояниями экситонов в отличие от неорганических и кристаллических солнечных элементов. Эффективность экситонных солнечных элементов и неорганических солнечных элементов (с меньшей энергией связи экситонов) не может превышать 31%, как объясняют Шокли и Киссер.

Термодинамические пределы эффективности при умножении носителей
Умножение несущей облегчает создание нескольких электронно-дырочных пар для каждого поглощенного фотона. Пределы эффективности фотоэлектрических элементов могут быть теоретически выше с учетом термодинамических эффектов. Для солнечного элемента, питаемого неконцентрированным солнечным излучением Солнца, теоретическая максимальная эффективность составляет 43%, тогда как для солнечного элемента, питаемого полным концентрированным излучением Солнца, КПД достигает 85%. Эти высокие значения эффективности возможны только тогда, когда солнечные элементы используют радиационную рекомбинацию и размножение носителей.