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上海光机所在空间光电器件与新型光伏器件抗空间质子辐照加固研究方面取得重要进展

中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室宾建辉研究团队依托国家重大科研仪器设备研制专项“新一代超强超短激光综合实验装置”，拓展并建成了国内首套基于激光加速的空间探测辐射效应模拟实验平台，并联合所内陈卫标、周立兵、王雨辰研究团队，邵宇川、郑毅帆研究团队以及上海大学微电子学院魏斌研究团队，在空间光电器件与新型光伏器件抗质子辐照加固研究方面取得系列重要进展。相关研究成果分别以“Multi-energy proton radiation effects on silicon photonic Mach-Zehnder modulators and hydrogen-loading pretreatment with enhanced radiation resistance”、“Proton-Radiation Hardening of High-Speed Ge/Si Integrated Photodetectors for Space Applications”以及“Molecular engineering of self-assembled monolayers for proton radiation-hardened flexible perovskite solar cells”为题，先后发表于 Photonics Research、Nanophotonics 和 Applied Physics Letters。

硅基光电子器件与柔性钙钛矿太阳能电池作为新一代空间信息传输与能源供给的重要支撑，在空间通信、深空探测及低轨卫星等领域具有广阔的应用前景，但其在轨性能与寿命一直面临空间高能带电粒子辐照的限制，在此背景下新型抗辐照光电器件的研究与其依赖的地面辐射测试源备受关注。

基于传统加速器的空间辐射模拟装置往往局限于单一能量的粒子辐射，难以真实还原空间复杂的宽能谱辐射环境。针对这一问题，宾建辉研究团队依托国家重大科研仪器设备研制专项“新一代超强超短激光综合实验装置”，拓展并建成了国内首套基于激光加速的空间探测辐射效应模拟实验平台，通过超强超短激光驱动产生与地球辐射带等效的宽能谱质子束，进一步开展了相关器件在宽谱质子辐照下的损伤效应研究，实现对新型器件抗辐射性能的准确评估。

依托该实验平台，研究人员对硅光马赫-曾德尔调制器（SiPh MZMs）及高速锗硅（Ge/Si）集成光电探测器开展了系统的模拟计算与阶梯剂量宽谱质子辐照实验研究，结果表明载氢预处理可显著提升上述两类器件的抗质子辐照性能；并对具有不同饱和烷基链长度的自组装单分子层（2PACz、4PACz和6PACz）作为空穴传输层的倒置柔性钙钛矿太阳能电池（FPSCs）进行了宽谱质子辐照耐受机制研究，结果表明SAM分子烷基链工程可有效增强器件的抗质子辐照稳定性。

硅光马赫-曾德尔调制器（SiPh MZMs）的宽能谱质子辐照效应与载氢预处理加固

为验证载氢预处理对硅基光电子芯片抗辐射加固方案的可行性，依托该实验平台，研究团队对硅光马赫-曾德尔调制器（SiPh MZMs）及高速锗硅（Ge/Si）集成光电探测器开展了系统的模拟计算与阶梯剂量宽谱质子辐照实验研究。针对硅光调制器的实验结果表明，在1.58至15.8 kGy累积剂量下，未处理器件的调制效率、3 dB电光带宽及眼图消光比呈现单调退化直至功能失效；而经高压载氢预处理的器件，其内部预存的氢分子能够有效钝化质子辐照在Si/SiO₂界面及硅波导内部诱导的悬挂键与空位缺陷。在3.16 kGy中低剂量下，载氢器件的调制效率表现出显著提升，10 Gbps眼图保持清晰开启，在15.8 kGy极高剂量下仍保留40%的调制效率，显著拓宽了器件失效前的剂量窗口。

图 1 硅光马赫-曾德尔调制器在不同质子辐照剂量下的10 Gbps眼图与消光比演化

高速Ge/Si集成光电探测器的宽谱质子辐照损伤与载氢抗辐射加固

依托该实验平台，研究团队结合辐射变色薄膜（RCF）能谱标定与Geant4蒙特卡罗粒子输运模拟，对高速Ge/Si集成光电探测器进行了定量剂量标定（硅功能层累积沉积剂量覆盖158至1580 krad）与质子辐照评估。实验结果表明，在1580 krad最高辐照剂量下，未处理器件在3 V反向偏压下的暗电流由6.19 nA剧增至初始值的8.67倍，3 dB带宽由44.52 GHz下降至32.09 GHz；相比之下，载氢加固器件通过活性氢原子（H⁰）钝化氧化物E'中心与界面P_b中心等电活性缺陷态，抑制了缺陷辅助的产生-复合漏电通道，在相同极限剂量下将暗电流增幅严格限制在1.9倍以内，同时保留了约35 GHz的高速工作带宽。

图 2 高速Ge/Si集成光电探测器质子辐照诱导缺陷生成与氢钝化机制

图 3 高速Ge/Si集成光电探测器3 dB带宽与暗电流随累积剂量演化及载氢加固

柔性钙钛矿太阳能电池空穴传输层分子工程与抗质子辐照性能

在空间新型光伏器件抗辐照研究方面，依托该实验平台，研究团队利用综合空间辐照平台模拟低地球轨道（LEO）宽谱质子环境，探究了具有不同饱和烷基链长度的自组装单分子层（2PACz、4PACz和6PACz）作为空穴传输层在倒置柔性钙钛矿太阳能电池（FPSCs）中的质子辐照耐受机制。模拟及实验表征表明，具有更长烷基链的6PACz薄膜表面正电势分布显著减弱，具有更高的位移阈能，在质子轰击下表现出最弱的电子电离损伤、最小的C-N键断裂程度以及最优的表面形貌保持率。基于6PACz的柔性钙钛矿太阳能电池在经历宽谱质子辐照后，依然保留了高达90%的初始光电转换效率，展现出优异的抗质子辐照稳定性。

图 4 柔性钙钛矿太阳能电池器件结构、SAM分子结构、静电势分布与SRIM空位模拟

该系列研究依托上海光机所搭建的空间探测辐射效应模拟实验平台，突破了传统地面单能辐射源难以复现复杂空间宽谱辐射环境的局限，实现了空间宽谱质子流的高精度模拟与定量剂量标定，为空间辐射环境模拟实验提供了可靠的辐射源支撑。同时，这一系列系统的实验研究明确了宽谱质子辐照下硅基光电子器件（SiPh MZMs、Ge/Si集成光电探测器）及柔性钙钛矿太阳能电池的损伤演化规律，阐明了高压载氢预处理通过活性氢原子钝化介质界面悬挂键与空位缺陷、以及空穴传输层SAM分子烷基链工程削弱电离辐射损伤并维持界面能级对准的抗辐照加固机制，推动了高性能、耐辐照空间硅基光电子芯片与新型柔性光伏器件的宇航级耐受性设计与实用化研究进程。

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