Eficiența cuantică este o măsurare a cât de fotosensibil este electric un dispozitiv fotosensibil. Suprafețele fotoreactive folosesc energia de la fotonii care intră pentru a crea perechi electron-gaură, în care energia fotonului crește nivelul de energie al unui electron și îi permite electronului să părăsească banda de valență, unde electronii sunt legați de atomi individuali și să intre în banda de conducție. , unde se poate mișca liber prin întreaga rețea atomică a materialului. Cu cât este mai mare procentul de fotoni care produc o pereche electron-gaură la lovirea suprafeței fotoreactive, cu atât eficiența sa cuantică este mai mare. Eficiența cuantică este o caracteristică importantă a unui număr de tehnologii moderne, în special celulele solare fotovoltaice utilizate pentru a genera energie electrică, precum și filmele fotografice și dispozitivele cuplate la sarcină.
Energia fotonului variază în funcție de lungimea de undă a fotonului, iar eficiența cuantică a unui dispozitiv poate varia pentru diferite lungimi de undă de lumină. Configurațiile diferite ale materialelor variază în ceea ce privește modul în care absorb și reflectă diferite lungimi de undă, iar acesta este un factor important în ceea ce privește substanțele utilizate în diferite dispozitive fotosensibile. Cel mai comun material pentru celulele solare este siliciul cristalin, dar există și celule bazate pe alte substanțe fotoreactive, cum ar fi telurura de cadmiu și seleniura de cupru, indiu, galiu. Filmul fotografic folosește bromură de argint, clorură de argint sau iodură de argint, fie singure, fie în combinație.
Cele mai înalte eficiențe cuantice sunt produse de dispozitivele cuplate de încărcare utilizate pentru fotografia digitală și imagini de înaltă rezoluție. Aceste dispozitive colectează fotoni cu un strat de siliciu epitaxial dopat cu bor, care creează sarcini electrice care sunt apoi mutate printr-o serie de condensatoare la un amplificator de încărcare. Amplificatorul de încărcare transformă încărcările într-o serie de tensiuni care pot fi procesate ca semnal analogic sau înregistrate digital. Dispozitivele cuplate la sarcină, care sunt utilizate adesea în aplicații științifice, cum ar fi astronomia și biologia, care necesită o mare precizie și sensibilitate, pot avea eficiențe cuantice de 90% sau mai mult.
În celulele solare, eficiența cuantică este uneori împărțită în două măsurători, eficiența cuantică externă și eficiența cuantică internă. Eficiența externă este o măsurare a procentului de fotoni care lovesc celula solară și care produc o pereche electron-gaură care este colectată cu succes de celulă. Eficiența cuantică numără doar acei fotoni care lovesc celula și care nu au fost reflectați sau transmisi în afara celulei. Eficiența internă slabă indică faptul că prea mulți electroni care au fost ridicați până la nivelul de conducție își pierd energia și devin din nou atașați de un atom la nivelul de valență, proces numit recombinare. Eficiența externă slabă poate fi fie o reflectare a eficienței interne slabe, fie poate însemna că cantități mari de lumină care ajunge la celulă nu sunt disponibile pentru utilizare deoarece este reflectată de celulă sau lăsată să treacă prin ea.
Odată ce electronii încep să se miște în banda de conducție, designul celulei solare controlează direcția mișcării lor pentru a crea un flux de curent electric continuu. Deoarece o eficiență cuantică mai mare înseamnă că mai mulți electroni pot intra în banda de conducție și pot fi colectați cu succes, o eficiență mai mare face posibilă generarea mai multă energie. Majoritatea celulelor solare sunt concepute pentru a maximiza eficiența cuantică în lungimile de undă ale luminii cele mai comune în atmosfera Pământului, și anume spectrul vizibil, deși au fost dezvoltate și celule solare specializate pentru exploatarea luminii infraroșii sau ultraviolete.