L’efficienza quantistica è una misura di quanto elettricamente fotosensibile è un dispositivo fotosensibile. Le superfici fotoreattive utilizzano l’energia dei fotoni in ingresso per creare coppie elettrone-lacuna, in cui l’energia del fotone aumenta il livello di energia di un elettrone e consente all’elettrone di lasciare la banda di valenza, dove gli elettroni sono legati ai singoli atomi, ed entrare nella banda di conduzione , dove può muoversi liberamente attraverso l’intero reticolo atomico del materiale. Maggiore è la percentuale di fotoni che producono una coppia elettrone-lacuna quando colpiscono la superficie fotoreattiva, maggiore è la sua efficienza quantica. L’efficienza quantistica è una caratteristica importante di una serie di moderne tecnologie, in particolare le celle solari fotovoltaiche utilizzate per generare elettricità, nonché pellicole fotografiche e dispositivi ad accoppiamento di carica.
L’energia del fotone varia con la lunghezza d’onda del fotone e l’efficienza quantica di un dispositivo può variare per diverse lunghezze d’onda della luce. Diverse configurazioni di materiali variano nel modo in cui assorbono e riflettono diverse lunghezze d’onda, e questo è un fattore importante per le sostanze utilizzate nei diversi dispositivi fotosensibili. Il materiale più comune per le celle solari è il silicio cristallino, ma esistono anche celle basate su altre sostanze fotoreattive, come il tellururo di cadmio e il seleniuro di rame, indio e gallio. La pellicola fotografica utilizza bromuro d’argento, cloruro d’argento o ioduro d’argento, da soli o in combinazione.
Le massime efficienze quantistiche sono prodotte da dispositivi ad accoppiamento di carica utilizzati per la fotografia digitale e l’imaging ad alta risoluzione. Questi dispositivi raccolgono fotoni con uno strato di silicio epitassiale drogato con boro, che crea cariche elettriche che vengono poi spostate attraverso una serie di condensatori ad un amplificatore di carica. L’amplificatore di carica converte le cariche in una serie di tensioni che possono essere elaborate come segnale analogico o registrate digitalmente. I dispositivi ad accoppiamento di carica, che vengono spesso utilizzati in applicazioni scientifiche come l’astronomia e la biologia che richiedono grande precisione e sensibilità, possono avere efficienze quantistiche del 90% o più.
Nelle celle solari, l’efficienza quantistica è talvolta divisa in due misurazioni, efficienza quantistica esterna ed efficienza quantistica interna. L’efficienza esterna è una misura della percentuale di tutti i fotoni che colpiscono la cella solare che producono una coppia elettrone-lacuna che viene raccolta con successo dalla cella. L’efficienza quantistica conta solo quei fotoni che colpiscono la cellula che non sono stati riflessi o trasmessi fuori dalla cellula. Una scarsa efficienza interna indica che troppi elettroni che sono stati portati al livello di conduzione stanno perdendo la loro energia e si attaccano di nuovo a un atomo nel livello di valenza, un processo chiamato ricombinazione. Una scarsa efficienza esterna può essere un riflesso di una scarsa efficienza interna o può significare che grandi quantità di luce che raggiungono la cella non sono disponibili per l’uso perché viene riflessa dalla cella o lasciata passare attraverso di essa.
Una volta che gli elettroni iniziano a muoversi nella banda di conduzione, il design della cella solare controlla la direzione del loro movimento per creare un flusso di elettricità a corrente continua. Poiché una maggiore efficienza quantica significa che più elettroni possono entrare nella banda di conduzione ed essere raccolti con successo, una maggiore efficienza consente di generare più energia. La maggior parte delle celle solari è progettata per massimizzare l’efficienza quantistica nelle lunghezze d’onda della luce più comuni nell’atmosfera terrestre, vale a dire lo spettro visibile, sebbene siano state sviluppate anche celle solari specializzate per sfruttare la luce infrarossa o ultravioletta.