Kvantna učinkovitost je mjera koliko je fotoosjetljiv uređaj fotoosjetljiv. Fotoreaktivne površine koriste energiju dolaznih fotona za stvaranje parova elektron-rupa, u kojima energija fotona povećava energetsku razinu elektrona i omogućuje elektronu da napusti valentni pojas, gdje su elektroni vezani za pojedinačne atome, i uđu u pojas vodljivosti , gdje se može slobodno kretati kroz cijelu atomsku rešetku materijala. Što je veći postotak fotona koji proizvode par elektron-rupa nakon udara o fotoreaktivnu površinu, to je veća njegova kvantna učinkovitost. Kvantna učinkovitost važna je karakteristika brojnih modernih tehnologija, a posebno fotonaponskih solarnih ćelija koje se koriste za proizvodnju električne energije, kao i fotografskih filmova i uređaja s nabojom.
Energija fotona varira s valnom duljinom fotona, a kvantna učinkovitost uređaja može varirati za različite valne duljine svjetlosti. Različite konfiguracije materijala razlikuju se u načinu na koji apsorbiraju i reflektiraju različite valne duljine, a to je važan čimbenik u tome koje se tvari koriste u različitim fotoosjetljivim uređajima. Najčešći materijal za solarne ćelije je kristalni silicij, ali postoje i stanice na bazi drugih fotoreaktivnih tvari, kao što su kadmij telurid i bakar indij galij selenid. Fotografski film koristi srebrni bromid, srebrni klorid ili srebro jodid, samostalno ili u kombinaciji.
Najveću kvantnu učinkovitost proizvode uređaji spojeni na punjenje koji se koriste za digitalnu fotografiju i slike visoke razlučivosti. Ovi uređaji prikupljaju fotone sa slojem epitaksijalnog silicija dopiranog borom, koji stvara električne naboje koji se zatim pomiču kroz niz kondenzatora do pojačala naboja. Pojačalo naboja pretvara naboje u niz napona koji se mogu obraditi kao analogni signal ili snimiti digitalno. Uređaji spojeni na naboj, koji se često koriste u znanstvenim aplikacijama kao što su astronomija i biologija koje zahtijevaju veliku preciznost i osjetljivost, mogu imati kvantnu učinkovitost od 90 posto ili više.
U solarnim ćelijama kvantna učinkovitost se ponekad dijeli na dva mjerenja, vanjsku kvantnu učinkovitost i unutarnju kvantnu učinkovitost. Vanjska učinkovitost je mjerenje postotka svih fotona koji udare u solarnu ćeliju koji proizvode par elektron-rupa koji stanica uspješno prikuplja. Kvantna učinkovitost broji samo one fotone koji udare u stanicu i koji se nisu reflektirali ili prenijeli iz stanice. Loša unutarnja učinkovitost ukazuje da previše elektrona koji su bili podignuti do razine vodljivosti gube svoju energiju i ponovno se vežu za atom na valentnoj razini, što je proces koji se naziva rekombinacija. Loša vanjska učinkovitost može biti ili odraz loše unutarnje učinkovitosti ili može značiti da velike količine svjetlosti koja dopire do stanice nisu dostupne za korištenje jer se reflektira od ćelije ili joj je dopušteno da prođe kroz nju.
Jednom kada se elektroni počnu kretati u vodljivi pojas, dizajn solarne ćelije kontrolira smjer njihovog kretanja kako bi se stvorio tok struje istosmjerne struje. Kako veća kvantna učinkovitost znači da više elektrona može ući u vodljivi pojas i biti uspješno prikupljeno, veća učinkovitost omogućuje generiranje više energije. Većina solarnih ćelija dizajnirana je da maksimizira kvantnu učinkovitost u valnim duljinama svjetlosti najčešće u Zemljinoj atmosferi, odnosno vidljivom spektru, iako su razvijene i specijalizirane solarne ćelije za iskorištavanje infracrvenog ili ultraljubičastog svjetla.