热光电效率极限（Thermodynamic efficiency limit）是理论上可能的太阳能转换为电能的绝对最大值。它的值约为86％，这是Chambadal-Novikov效率，与卡诺极限相关的近似值，基于太阳表面发射的光子温度。

带隙能量的影响
太阳能电池作为量子能量转换装置工作，因此受热力学效率限制。能量低于吸收材料带隙的光子不能产生电子 – 空穴对，因此它们的能量不会转换为有用的输出，只有在吸收时才会产生热量。对于能量高于带隙能量的光子，只有带隙之上的一小部分能量可以转换为有用的输出。当吸收更大能量的光子时，带隙上方的多余能量被转换为载流子复合的动能。当载流子的动能减慢到平衡速度时，过剩的动能通过声子相互作用转换成热量。因此，太阳能不能转换成超过一定限度的电力。

具有多个带隙吸收材料的太阳能电池通过将太阳光谱分成更小的箱来提高效率，其中每个箱的热力学效率极限更高。可以使用nanoHUB中的在线模拟器分析这种细胞（也称为多结细胞或串联细胞）的热力学极限。

不同太阳能电池技术的效率限制
不同太阳能电池技术的热力学效率限制如下：

单结≈31％
3细胞堆叠和不纯PVs≈50％
基于热载流子或碰撞电离的装置≈54-68％
商业模块≈12-21％
具有上变频器的太阳能电池，用于在AM1.5光谱中工作，具有2eV带隙≈50.7％

激子太阳能电池的热力学效率极限
与无机和晶体太阳能电池不同，激子太阳能电池通过束缚态和中间态激子态产生自由电荷。如Shockley和Queisser所解释的那样，激子太阳能电池和无机太阳能电池（具有较少的激子结合能）的效率不能超过31％。

载流子倍增对热力学效率的限制
载流子倍增有利于吸收每个光子产生多个电子 – 空穴对。考虑到热力学效应，光伏电池的效率限制在理论上可以更高。对于由太阳未经浓缩的黑体辐射驱动的太阳能电池，理论最大效率为43％，而对于由太阳完全集中辐射驱动的太阳能电池，效率限制高达85％。只有当太阳能电池使用辐射复合和载流子倍增时，这些高效率值才是可能的。