最早提出的理论转换效率极限是30%的肖克利奎伊瑟（Shockley-Queisser）极限，也称精细平衡极限，是太阳电池领域中常用的效率极限。此外，还有一种效率极限计算方式，即热力学转换效率极限。热力学转换效率极限是将太阳电池作为卡诺热机，其转换效率由电池温度、环境温度和太阳温度决定，转换效率极限接近90%。

精细平衡转换效率极限考虑到太阳电池带隙及热耗散等的影响，光子能量大于半导体带隙（）的光子才会被吸收，电池在吸收太阳辐射的同时也在向环境进行自发辐射。电池的转换效率依赖于带隙和太阳光谱，如果太小，则由于最佳工作电压（）＜开路电压，和会比较小，转换效率较低；如果带隙太大，电池对太阳光谱的吸收范围较窄，最佳工作电流（）和短路电流（）会比较小，转换效率也较低。因此，对于特定的太阳光谱，具有最佳带隙对应一定的理论转换效率极限。通过更精确的计算，不聚光情况下，太阳光谱为AM1.5G的理论转换效率极限为33%，相应的最佳带隙为1.4电子伏；完全聚光情况下，太阳光谱为AM1.5G的理论转换效率极限为41%，相应的最佳带隙为1.1电子伏。

突破理论转换效率极限的电池技术包括多带隙/叠层太阳电池、中间能带太阳电池、热载流子太阳电池和碰撞电离太阳电池。已实验证明比较有效的是叠层太阳电池技术，已获得大于30%的光电转换效率。