Development of Space Qualified Microlens Arrays for Solar Cells Used on Satellite Power Systems

Abstract

The power system, one of the main systems of satellite, provides energy required for the satellite. Solar cells are also the most used energy source in the power system. The third generation multi-junction solar cells are known as the ones with highest performance. One of the methods to increase the performance of the solar cells is anti-reflective surface coatings with the Micro Lens Array-MLA. It's expected that satellite technologies has high power efficiency and low mass. The space environment has many effects like atomic oxygen, radiation and thermal cycles. Researches for increasing the solar cells performance shows that MLA coated solar cell has increased light absorption performance and less cell heating with very low additional mass. However, it is established that few studies on MLA coatings of solar cells are not applicable on space platforms.

In this study, the process of development of MLA which is convenient to space power systems is investigated in a methodological way. In this context, a method which is developed based on MLA coatings of multi-junction solar cells for satellite power systems is presented.

Keywords

• Solar cells,microlens arrays,space qualified,satellite power systems,MLA

Uydu Güç Sistemlerindeki Güneş Hücrelerine Yönelik Uzay Kalifiye Mikro Lens Dizilerin Geliştirilmesi

Abstract

 Uydunun ana sistemlerinden olan güç sistemi uydu için gerekli enerjiyi sağlamaktadır. Güç sisteminde en çok kullanılan enerji kaynağı ise güneş hücreleridir. En yüksek performansa sahip güneş hücrelerinin üçüncü nesil çok eklemli güneş hücreleri olduğu bilinmektedir. Güneş hücrelerinin performanslarının artırılmasında kullanılan çeşitli yöntemlerden birisi de Mikro Lens Dizileri-MLA ile yansıma önleyici yüzey kaplamalarıdır. Uydu teknolojilerinde gerekli enerjinin yüksek verimde elde edilmesi ve ilgili kaynağın düşük kütlede olması beklenmektedir. Uzay ortamı radyasyon, atomik oksijen ve ısıl döngü gibi birbirinden farklı pek çok etkeni içermektedir. Yapılan araştırmalar güneş hücresinin performanslarının geliştirilmesinde kullanılan ışığı soğurma etkinliğinin artırıldığı MLA kaplamalarda, hücre ısısının artmadığını ve bunların hücreye yok denecek kadar az ağırlık getirdiğini göstermektedir. Ancak güneş hücrelerinin MLA ile kaplanması üzerine yapılan az sayıdaki çalışmanın uzay uygulamalarına yönelik olmadığı da tespit edilmiştir.

Bu çalışmada uydu güç sistemlerine yönelik MLA’ların geliştirilmesi süreci yöntemsel olarak incelenmektedir. Bu bağlamda tasarlanacak uydu güç sistemleri için çok eklemli güneş hücrelerinin MLA ile kaplamasına dayalı olarak geliştirilen bir yöntem sunulmaktadır.

Keywords

• Güneş hücreleri,mikro lens dizileri,uzay kalifiye,uydu güç sistemleri,MLA

References

1. Fortescue, P., Stark, J., Swinerd, G., Spacecraft Systems Engineering, West Sussex: John Wiley & Sons, 2004.
2. Patel M.R., Spacecraft Power System, London: CRC Press, 2005.
3. Aydın, K., «Uydu entegre güç ve yönelim kontrol sistemlerinde kullanılabilecek bir volanlı enerji depolama biriminin tasarımı ve gerçeklenmesi,» Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2010.
4. Iles, P.A., «Evolution of space solar cells,» Solar Energy Materials & Solar Cells, cilt 68, pp. 1-13, 2001.
5. Iles, P.A., «Photovoltaic Conversion: Space Applications,» Encyclopedia of Energy, cilt 5, pp. 25-33, 2004.
6. Flood, D.J. ve Weinberg, I., «Advanced Solar Cells for Satellite,» NASA Technical Memorandum 106777, 1994.
7. Xie, J., Wu, K., Cheng, J. ve arkadaşları, «The micro-optic photovoltaic behavior of solar cell along with microlens curved glass substrate,» Energy Conversion and Management, cilt 96, pp. 315-321, 2015.
8. Nam, M., Kim, K., Lee, J. ve arkadaşları, «Concentrating microlens array mounted on an InGaP/GaAs/Ge solar cell for photovoltaic performance enhancement,» Solar Energy, cilt 91, p. 374–380, 2013.

9. Tseng, J.K., Chen, Y.J., Pan, C.T., ve arkadaşları, «Application of optical film with micro-lens array on a solar concentrator,» Solar Energy, cilt 85, p. 2167–2178, 2011.
10. Chen, C.H., Juan, P.C., Liao, M.H., ve arkadaşları, «The effect of surface treatment on omni-directional efficiency of the silicon solar cells with micro-spherical texture/ITO stacks,» Solar Energy Materials & Solar Cells, cilt 95, p. 2545–2548, 2011.
11. «Optics and photonics - Microlens arrays - Part 1: Vocabulary,» ISO 14880-1:2016, 2016.
12. Pritchard, J., Simon, K., Dowd C., ve arkdaşları, «Solar power concentrators for space applications,» Pam Review: Energy Science & Technology, cilt 3, pp. 1-26, 2016.
13. Jakhar, S., Soni, M.S., ve Gakkhar, N., «Historical and recent development of concentrating photovoltaic cooling Technologies,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, cilt 60, pp. 41-46, 2016.
14. Menteş, E. , «Kompozit 3U küp uyduların yapısal analiz ve tasarımları,» Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2015.
15. Lisbona, E.F., «Calibration, testing, and monitoring of space solar cells,» Practical Handbook of Photovoltaics (Second Edition), Chapter IIA-2, 2013, pp. 502-519.
16. Wernham, D., «Optical Coatings in Space,» Proc.. SPIE, cilt 8168, 2011.
17. The American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), «Qualification and Quality Requirements for Space Solar Cells (AIAA S-111A-2005),» AIAA Standards, 2005.
18. H. Soykuvvet, «İki yönlü yanal etki algılayıcılı optik sistem tasarımı ve bu sistemin operasyonel kullanımı ile ışıma kaynaklarının konumlarının bulunması,» Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2015.
19. Kanda, H., Uzum, A., Harano, N., ve arkadaşları, «Al2O3/TiO2 double layer anti-reflection coating film for crystalline silicon solar cells formed by spray pyrolysis.,» Energy Science and Engineering, cilt 4, pp. 269-276, 2016.
20. Hayashi, N., Inoue, D., Matsumoto, M.,ve arkadaşları, «High-efficiency thin and compact concentrator photovoltaics with micro-solar cells directly attached to a lens array,» Optics Express, cilt 23, pp. 594-603, 2015.
21. Akatay, A.A., «Beam steering using microlens arrays,» Yüksek Lisans Tezi, Koç Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2006.
22. Myers, M.G., Wolford, D.S., Prokop N.F. ve arkadaşları, «NASA Glenn Research Center Solar Cell Experiment onboard the International Space Station,» 43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Portland, 2016.
23. De Rooij, A., «Corrosion in Space,» Encyclopedia of Aerospace Engineering, pp. 1-15, 2010.
24. Keser, Ö.F., Yenisoy, A., İdare, B. , «Development of Anti-Reflective Micro Lens Arrays for Multi Junction Solar Cells Used on Satellite Platforms,» ISITES, 4th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science, Antalya, 2016.