Die Quanteneffizienz ist ein Maß dafür, wie elektrisch lichtempfindlich ein lichtempfindliches Gerät ist. Photoreaktive Oberflächen nutzen die Energie von einfallenden Photonen, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, in denen die Energie des Photons das Energieniveau eines Elektrons erhöht und es dem Elektron ermöglicht, das Valenzband, in dem Elektronen an einzelne Atome gebunden sind, zu verlassen und in das Leitungsband einzutreten , wo es sich frei durch das gesamte Atomgitter des Materials bewegen kann. Je höher der Prozentsatz an Photonen ist, die beim Auftreffen auf die photoreaktive Oberfläche ein Elektron-Loch-Paar erzeugen, desto höher ist ihre Quanteneffizienz. Die Quanteneffizienz ist ein wichtiges Merkmal einer Reihe moderner Technologien, insbesondere photovoltaischer Solarzellen, die zur Stromerzeugung verwendet werden, sowie fotografischer Filme und ladungsgekoppelter Geräte.
Die Photonenenergie variiert mit der Wellenlänge des Photons, und die Quanteneffizienz eines Geräts kann für verschiedene Lichtwellenlängen variieren. Unterschiedliche Konfigurationen von Materialien unterscheiden sich darin, wie sie unterschiedliche Wellenlängen absorbieren und reflektieren, und dies ist ein wichtiger Faktor dafür, welche Substanzen in verschiedenen lichtempfindlichen Geräten verwendet werden. Das gängigste Material für Solarzellen ist kristallines Silizium, es gibt aber auch Zellen auf Basis anderer photoreaktiver Substanzen wie Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid. Fotografischer Film verwendet Silberbromid, Silberchlorid oder Silberjodid, entweder allein oder in Kombination.
Die höchsten Quanteneffizienzen werden von ladungsgekoppelten Geräten erzeugt, die für die digitale Fotografie und hochauflösende Bildgebung verwendet werden. Diese Geräte sammeln Photonen mit einer mit Bor dotierten epitaktischen Siliziumschicht, die elektrische Ladungen erzeugt, die dann durch eine Reihe von Kondensatoren zu einem Ladungsverstärker verschoben werden. Der Ladungsverstärker wandelt die Ladungen in eine Reihe von Spannungen um, die als analoges Signal verarbeitet oder digital aufgezeichnet werden können. Ladungsgekoppelte Geräte, die häufig in wissenschaftlichen Anwendungen wie Astronomie und Biologie verwendet werden, die eine hohe Präzision und Empfindlichkeit erfordern, können eine Quanteneffizienz von 90 Prozent oder mehr aufweisen.
In Solarzellen wird die Quanteneffizienz manchmal in zwei Messungen unterteilt, die externe Quanteneffizienz und die interne Quanteneffizienz. Der externe Wirkungsgrad ist ein Maß für den Prozentsatz aller Photonen, die auf die Solarzelle treffen und ein Elektron-Loch-Paar erzeugen, das von der Zelle erfolgreich gesammelt wird. Die Quanteneffizienz zählt nur die auf die Zelle auftreffenden Photonen, die nicht wegreflektiert oder aus der Zelle heraus übertragen wurden. Eine schlechte interne Effizienz deutet darauf hin, dass zu viele Elektronen, die auf das Leitungsniveau angehoben wurden, ihre Energie verlieren und sich wieder an ein Atom in der Valenzebene anlagern, ein Prozess, der Rekombination genannt wird. Eine schlechte externe Effizienz kann entweder eine Reflexion einer schlechten internen Effizienz sein oder kann bedeuten, dass große Mengen des die Zelle erreichenden Lichts für die Verwendung nicht verfügbar sind, weil sie von der Zelle wegreflektiert oder durch sie hindurchgelassen werden.
Sobald Elektronen beginnen, sich in das Leitungsband zu bewegen, steuert das Design der Solarzelle die Richtung ihrer Bewegung, um einen Gleichstromfluss zu erzeugen. Da eine höhere Quanteneffizienz bedeutet, dass mehr Elektronen in das Leitungsband eintreten und erfolgreich gesammelt werden können, ermöglicht eine höhere Effizienz die Erzeugung von mehr Leistung. Die meisten Solarzellen sind darauf ausgelegt, die Quanteneffizienz in den Lichtwellenlängen zu maximieren, die in der Erdatmosphäre am häufigsten vorkommen, nämlich im sichtbaren Spektrum, obwohl auch spezielle Solarzellen zur Nutzung von Infrarot- oder Ultraviolettlicht entwickelt wurden.