Efisiensi kuantum adalah pengukuran seberapa fotosensitif elektrik perangkat fotosensitif. Permukaan fotoreaktif menggunakan energi dari foton yang masuk untuk membuat pasangan lubang elektron, di mana energi foton meningkatkan tingkat energi elektron dan memungkinkan elektron meninggalkan pita valensi, di mana elektron terikat pada atom individu, dan memasuki pita konduksi , di mana ia dapat bergerak bebas melalui seluruh kisi atom material. Semakin tinggi persentase foton yang menghasilkan pasangan elektron-lubang pada permukaan fotoreaktif, semakin tinggi efisiensi kuantumnya. Efisiensi kuantum merupakan karakteristik penting dari sejumlah teknologi modern, terutama sel surya fotovoltaik yang digunakan untuk menghasilkan listrik, serta film fotografi dan perangkat charge-coupled.
Energi foton bervariasi dengan panjang gelombang foton, dan efisiensi kuantum perangkat dapat bervariasi untuk panjang gelombang cahaya yang berbeda. Konfigurasi bahan yang berbeda bervariasi dalam cara mereka menyerap dan memantulkan panjang gelombang yang berbeda, dan ini merupakan faktor penting dalam zat apa yang digunakan dalam perangkat fotosensitif yang berbeda. Bahan yang paling umum untuk sel surya adalah silikon kristal, tetapi sel berdasarkan zat fotoreaktif lainnya, seperti telluride kadmium dan tembaga indium gallium selenide, juga ada. Film fotografi menggunakan perak bromida, perak klorida, atau perak iodida, baik sendiri-sendiri atau dalam kombinasi.
Efisiensi kuantum tertinggi dihasilkan oleh perangkat charge-coupled yang digunakan untuk fotografi digital dan pencitraan resolusi tinggi. Perangkat ini mengumpulkan foton dengan lapisan silikon epitaksi yang diolah dengan boron, yang menciptakan muatan listrik yang kemudian digeser melalui serangkaian kapasitor ke penguat muatan. Penguat muatan mengubah muatan menjadi serangkaian tegangan yang dapat diproses sebagai sinyal analog atau direkam secara digital. Perangkat charge-coupled, yang sering digunakan dalam aplikasi ilmiah seperti astronomi dan biologi yang membutuhkan presisi dan sensitivitas tinggi, dapat memiliki efisiensi kuantum 90 persen atau lebih.
Dalam sel surya, efisiensi kuantum terkadang dibagi menjadi dua pengukuran, efisiensi kuantum eksternal dan efisiensi kuantum internal. Efisiensi eksternal adalah pengukuran persentase semua foton yang menabrak sel surya yang menghasilkan pasangan lubang elektron yang berhasil dikumpulkan oleh sel. Efisiensi kuantum hanya menghitung foton yang menabrak sel yang tidak dipantulkan atau ditransmisikan keluar sel. Efisiensi internal yang buruk menunjukkan bahwa terlalu banyak elektron yang telah dinaikkan ke tingkat konduksi kehilangan energinya dan kembali terikat pada atom di tingkat valensi, sebuah proses yang disebut rekombinasi. Efisiensi eksternal yang buruk dapat merupakan cerminan dari efisiensi internal yang buruk atau dapat berarti bahwa sejumlah besar cahaya yang mencapai sel tidak dapat digunakan karena dipantulkan oleh sel atau dibiarkan melewatinya.
Begitu elektron mulai bergerak ke pita konduksi, desain sel surya mengontrol arah pergerakannya untuk menciptakan aliran listrik arus searah. Karena efisiensi kuantum yang lebih tinggi berarti bahwa lebih banyak elektron dapat memasuki pita konduksi dan berhasil dikumpulkan, efisiensi yang lebih tinggi memungkinkan untuk menghasilkan lebih banyak daya. Sebagian besar sel surya dirancang untuk memaksimalkan efisiensi kuantum dalam panjang gelombang cahaya yang paling umum di atmosfer bumi, yaitu spektrum tampak, meskipun sel surya khusus untuk memanfaatkan sinar inframerah atau ultraviolet juga telah dikembangkan.