Efisiensi adalah perhatian desain untuk sel fotovoltaik, karena ada banyak faktor yang membatasi efisiensinya. Faktor utama adalah bahwa 1/4 dari energi matahari ke Bumi tidak dapat diubah menjadi listrik oleh semikonduktor silikon. Fisika semikonduktor membutuhkan energi foton minimum untuk melepaskan elektron dari struktur kristal, yang dikenal sebagai energi celah pita. Jika foton memiliki energi lebih kecil dari celah pita, foton akan diserap sebagai energi panas. Untuk silikon, energi celah pita adalah 1,12 elektron volt. Karena energi dalam foton dari matahari mencakup berbagai energi, beberapa energi yang masuk dari Matahari tidak memiliki energi yang cukup untuk menjatuhkan elektron dalam sel Photo Voltaics silikon. Bahkan dari cahaya yang bisa diserap, masih ada masalah. Setiap energi di atas energi celah pita akan diubah menjadi panas. Ini juga memotong efisiensi karena energi panas tidak digunakan untuk tugas yang bermanfaat. Dari elektron yang tersedia, tidak semuanya benar-benar akan sampai ke kontak logam dan menghasilkan listrik. Ini karena beberapa dari mereka tidak akan dipercepat secara memadai oleh tegangan di dalam semikonduktor. Karena alasan yang tercantum, efisiensi teoritis sel Photo Voltaics silikon adalah sekitar 33%.
Ada cara untuk meningkatkan efisiensi sel Photo Voltaics di dalam panel surya tersebut, yang semuanya datang dengan biaya yang meningkat. Beberapa metode ini termasuk meningkatkan kemurnian semikonduktor, menggunakan bahan semikonduktor yang lebih efisien seperti Gallium Arsenide, dengan menambahkan lapisan tambahan atau sambungan p-n ke sel, atau dengan memusatkan energi matahari menggunakan fotovoltaik terkonsentrasi. Di sisi lain, sel Photo Voltaics juga akan terdegradasi, menghasilkan lebih sedikit energi dari waktu ke waktu, karena berbagai faktor termasuk paparan sinar UV dan siklus cuaca. Sebuah laporan komprehensif dari National Renewable Energy Laboratory (NREL) menyatakan bahwa rata-rata laju degradasi adalah 0,5% per tahun.
