Wydajność kwantowa jest miarą światłoczułości elektrycznej urządzenia światłoczułego. Powierzchnie fotoreaktywne wykorzystują energię z nadchodzących fotonów do tworzenia par elektron-dziura, w których energia fotonu zwiększa poziom energii elektronu i pozwala elektronowi opuścić pasmo walencyjne, gdzie elektrony są związane z pojedynczymi atomami, i wejść w pasmo przewodnictwa , gdzie może swobodnie poruszać się po całej sieci atomowej materiału. Im wyższy procent fotonów, które wytwarzają parę elektron-dziura po uderzeniu w fotoreaktywną powierzchnię, tym wyższa jest jej wydajność kwantowa. Wydajność kwantowa jest ważną cechą wielu nowoczesnych technologii, w szczególności fotowoltaicznych ogniw słonecznych wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, a także klisz fotograficznych i urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym.
Energia fotonu zmienia się w zależności od długości fali fotonu, a wydajność kwantowa urządzenia może się zmieniać dla różnych długości fal światła. Różne konfiguracje materiałów różnią się sposobem pochłaniania i odbijania różnych długości fal, co jest ważnym czynnikiem decydującym o tym, jakie substancje są używane w różnych urządzeniach światłoczułych. Najpopularniejszym materiałem na ogniwa słoneczne jest krystaliczny krzem, ale istnieją również ogniwa oparte na innych substancjach fotoreaktywnych, takich jak tellurek kadmu i selenek miedziowo-indowo-galowy. Film fotograficzny wykorzystuje bromek srebra, chlorek srebra lub jodek srebra, pojedynczo lub w połączeniu.
Najwyższą wydajność kwantową zapewniają urządzenia o sprzężeniu ładunkowym stosowane w fotografii cyfrowej i obrazowaniu w wysokiej rozdzielczości. Urządzenia te zbierają fotony z warstwą krzemu epitaksjalnego domieszkowanego borem, który wytwarza ładunki elektryczne, które są następnie przenoszone przez szereg kondensatorów do wzmacniacza ładunku. Wzmacniacz ładunku przekształca ładunki w szereg napięć, które mogą być przetwarzane jako sygnał analogowy lub rejestrowane cyfrowo. Urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym, które są często używane w zastosowaniach naukowych, takich jak astronomia i biologia, które wymagają dużej precyzji i czułości, mogą mieć sprawność kwantową 90% lub więcej.
W ogniwach słonecznych wydajność kwantową czasami dzieli się na dwa pomiary, zewnętrzną wydajność kwantową i wewnętrzną wydajność kwantową. Wydajność zewnętrzna jest miarą procentu wszystkich fotonów uderzających w ogniwo słoneczne, które wytwarzają parę elektron-dziura, która jest z powodzeniem zbierana przez ogniwo. Wydajność kwantowa zlicza tylko te fotony uderzające w komórkę, które nie zostały odbite lub przepuszczone z komórki. Słaba sprawność wewnętrzna wskazuje, że zbyt wiele elektronów, które zostały podniesione do poziomu przewodnictwa, traci swoją energię i ponownie przyłącza się do atomu na poziomie walencyjnym, w procesie zwanym rekombinacją. Słaba sprawność zewnętrzna może być albo odbiciem słabej sprawności wewnętrznej, albo może oznaczać, że duże ilości światła docierającego do ogniwa są niedostępne, ponieważ jest ono odbijane przez ogniwo lub przepuszczane przez nie.
Gdy elektrony zaczną poruszać się w paśmie przewodnictwa, konstrukcja ogniwa słonecznego kontroluje kierunek ich ruchu, aby wytworzyć przepływ prądu stałego. Ponieważ wyższa wydajność kwantowa oznacza, że więcej elektronów może wejść do pasma przewodnictwa i zostać z powodzeniem zebrane, wyższa wydajność umożliwia generowanie większej mocy. Większość ogniw słonecznych jest zaprojektowana tak, aby zmaksymalizować wydajność kwantową w długościach fal światła najczęściej występujących w ziemskiej atmosferze, a mianowicie w widmie widzialnym, chociaż opracowano również wyspecjalizowane ogniwa słoneczne do wykorzystywania światła podczerwonego lub ultrafioletowego.