DEMOSTRACIÓN DE LA FIABILIDAD DE NUEVOS DISPOSITIVOS: APLICACIÓN A CELULAS SOLARES DE CONCENTRACIÓN

Transcripción

1 DEMOSTRACIÓN DE LA FIABILIDAD DE NUEVOS DISPOSITIVOS: APLICACIÓN A CELULAS SOLARES DE CONCENTRACIÓN Manuel Vázquez Dpto. Electrónica Física EUIT de Telecomunicación Instituto de Energía Solar Universidad Politécnica de Madrid

2 Participantes Instituto de Energía Solar Carlos Algora (ETSIT-UPM) Ignacio Rey-Stolle (ETSIT-UPM) José Ramón González (ETSIT-UPM) Ramiro Álvarez (EUITT-UPM) Neftalí Núñez (EUITT-UPM) Francisco Montalvo (EUITT-UPM) Manuel Vázquez (EUITT-UPM) Tecnológica S.A. Juan Barbero Enrique Galiana 2 VII Congreso de Confiabilidad

3 Índice Fiabilidad de dispositivos Células Solares de Concentración Evaluación de la Fiabilidad Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad Evaluación Fiabilidad células solares Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad 3 VII Congreso de Confiabilidad

4 Índice Fiabilidad de dispositivos Células Solares de Concentración Evaluación de la Fiabilidad Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad Evaluación Fiabilidad células solares Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad 4 VII Congreso de Confiabilidad

5 Fiabilidad de dispositivos La fiabilidad de un dispositivo es la probabilidad de que éste realice las funciones para las que fue diseñado bajo unas especificaciones dadas durante un periodo de tiempo determinado. Es necesario tener en cuenta la fiabilidad del dispositivo desde las primeras etapas del Ciclo de Vida del Producto. Cuanto antes se tenga en cuenta más sencillo y barato será el cumplimiento de los objetivos. Un producto poco fiable es un producto caro en cuanto a cumplimiento garantías, imagen corporativa 5 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad de dispositivos

6 Parámetros de fiabilidad Fiabilidad en función del tiempo R(t). Probabilidad de que el dispositivo funcione de acuerdo a especificaciones en unas condiciones dadas. Tasa de fallos (λ(t)). El porcentaje de dispositivos que falla por unidad de tiempo. MTTF o MTBF(Tiempo medio para el fallo o entre fallos). Es la esperanza matemática de tiempo hasta el fallo. λ(t) INFANTIL ÚTIL λ es constante ENVEJECIMIENTO O DESGASTE 6 VII Congreso de Confiabilidad t Fiabilidad de dispositivos

7 Índice Fiabilidad de dispositivos Células Solares de Concentración Evaluación de la Fiabilidad Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad Evaluación Fiabilidad células solares Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad 7 VII Congreso de Confiabilidad

8 Células solares de concentración Nuevos dispositivos fotovoltaicos fabricados con estructuras semiconductoras de materiales III-V. Alto rendimiento energético (30%). Alta concentración lumínica (1000soles). Dispositivos en fase preindustrial. No hay datos de fiabilidad de estos dispositivos. W f W C W V W E W B W BSF W S L f Dedo Contacto p++ (n++) GaAs Capa AR Ventana p++ (n++) AlGaAs, GaInP, ZnSe Emisor p+ (n+) GaAs Base n (p) GaAs BSF n++ (p++) AlGaAs, GaInP, n++ (p++) GaAs Sustrato n+ (p+) GaAs Contacto Posterior 8 VII Congreso de Confiabilidad Células solares de concentración

9 Células solares de concentración Célula de semiconductores III-V de 1mmx1mm Lentes de concentración x1000 (3,2cmx3,2cm se concentra en 1mmx1mm) Alto rendimiento energético (>30%) Seguidor solar en dos ejes 9 VII Congreso de Confiabilidad Células solares de concentración

10 Índice Fiabilidad de dispositivos Células Solares de Concentración Evaluación de la Fiabilidad Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad Evaluación Fiabilidad células solares Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad 10 VII Congreso de Confiabilidad

11 Evaluación fiabilidad Predicción de la fiabilidad. Demostración fiabilidad: En campo. Ensayos acelerados. 11 VII Congreso de Confiabilidad Evaluación de la fiabilidad

12 Evaluación predictiva Basada en datos de fiabilidad de dispositivos de diferentes fuentes. MIL-HDBK-217 ( MIlitary Handbook-Reliability Prediction of electronic equipment ). fallos λ P = λbπ Tπ Qπ Iπ Aπ Pπ E. 6 PRO S: 10 horas Rapidez en obtener un dato de fiabilidad. CON S Datos en periodo de vida útil. Inexactitud (incertidumbre ±50%). Base de datos no actualizadas para dispositivos innovadores. La factores π (aún no determinados en nuestro caso) variarán a lo largo del día y la época del año para el caso concreto de células solares de concentración. 12 VII Congreso de Confiabilidad Evaluación de la fiabilidad

13 Demostración de fiabilidad en campo Contabilizar fallos en funcionamiento normal. Es necesario que se defina que es un fallo de forma clara. PRO S Obtención de datos reales. CON S La tasa de fallos de un dispositivo es del orden de fallos/hora. Tiempos y costes no asumibles Obtención de resultados cuando el dispositivo ya se ha comercializado (seguramente será tarde y con consecuencias económicas). 13 VII Congreso de Confiabilidad Evaluación de la fiabilidad

14 Demostración fiabilidad Ensayos acelerados Método para solventar los problemas de los ensayos en condiciones de funcionamiento normales es acelerar los mecanismos de degradación y como consecuencia acortar la vida del dispositivo. Ensayos acelerados: Acelerar el ensayo implica hacer funcionar al dispositivo en unas condiciones tales que acorte la vida del dispositivo a tiempos y costes asumibles en un ensayo. Estos ensayos acelerados es necesario planificarlos y realizarlos de forma que los datos obtenidos sean extrapolables a condiciones de funcionamiento normales. 14 VII Congreso de Confiabilidad Evaluación de la fiabilidad

15 Índice Fiabilidad de dispositivos Células Solares de Concentración Evaluación de la Fiabilidad Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad Evaluación Fiabilidad células solares Predicción de la Fiabilidad Demostración de la Fiabilidad 15 VII Congreso de Confiabilidad

16 Evaluación Fiabilidad células solares Predicción de la fiabilidad en base a datos de dispositivos similares ya que no hay datos de células solares de concentración III-V. LEDs Láser semiconductores 16 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

17 Predicción COMPARACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR DE CONCENTRACIÓN CON DISPOSITIVOS SIMILARES Diodo Láser según MIL-HDBK-217 λ b = 3,23 Fallos/10 6 horas GaAs/AlGaAs y λ b = 5,65 Fallos/10 6 horas InGaAs/InGaAsP. λ = λ P B T Q I A P 6 Factores que más influyen a la tasa de fallos base: La densidad de corriente con factor π I (entre 0,13 y 8,9) La temperatura con factor π T (1 a Tj=25ºC y 9,3 con Tj=75 ºC) El factor ambiental (entre 1 y 8) π π fallos π π π π E. 10 horas Dispositivo Materiales Densidad de corriente (A/cm 2 ) Temperatura funcionamiento (ºC) λ (fallos/h) Láser GaAs,InP, AlGaAs, InGaAsP, InGaAs < LED GaAs,InP, AlGaAs, InGaAsP, InGaAs III-V Célula Solar Conc GaAs,AlGaAs, GaInP,AlInP, InGaAs,InGaAsP A evaluar 17 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

18 Predicción El objetivo de las nuevas células solares de concentración es alcanzar una vida al menos igual que la de los paneles solares convencionales según norma UNE-EN Módulos fotovoltaicos (FV) de silicio cristalino para aplicación terrestre; cualificación del diseño y aprobación del tipo. Los parámetros que más afectan la fiabilidad son: Densidad corriente (entre 0,13 y 8,9) Láser semiconductor o LED mucho mayor que célula solar concentración. Parámetro no critico. La temperatura (entre 1 y 9,3) Célula solar concentración sometidas a las temperaturas extremas del día y la noche, y además a una iluminación de mil soles durante las horas de sol. Rendimiento de la célula solar de concentración del orden del 30%, (70% restante debe disiparse a través del encapsulado del dispositivo). Diseño térmico del dispositivo crítico a la hora de optimizar su fiabilidad. El factor ambiental (entre 1 y 8) Panel fotovoltaico estará alojado en el exterior sometido a las inclemencias del tiempo; humedad, salinidad, viento, radiación solar y temperaturas ambientales. La estanqueidad del panel fotovoltaico así como del encapsulado del dispositivo será crítica. 18 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

19 Predicción El objetivo de fiabilidad, 20 años de funcionamiento, es alcanzable ya que los dispositivos similares tiene un MTTF aún mayor. Los factores críticos para obtención del objetivo de fiabilidad son: El diseño térmico del sistema para no forzar la temperatura de la unión en el dispositivo. La estanqueidad del sistema y del dispositivo ya que se encuentra en el exterior La madurez en la tecnología de fabricación. Al ser un dispositivo innovador y complejo, requerirá un proceso de maduración de la tecnología (procesos y materiales) hasta alcanzar el objetivo 19 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

20 Ensayos acelerados células solares El ensayo acelerado de las células solares de concentración se realiza de dos formas diferentes: Eliminando los periodos de tiempo en los que el dispositivo en funcionamiento normal no está operativo. Aplicando sobreesfuerzos al dispositivo que recorten la vida del dispositivo. Existen diversos modelos matemáticos de aceleración dependiendo si el sobreesfuerzo es en temperatura, voltaje, carga mecánica, ciclos térmicos, humedad, vibración. El sobreesuerzo más utilizado es en temperatura utilizando el modelo de Arrhenius. 20 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

21 Ensayos acelerados (Arrhenius) En el modelo de Arrhenius la tasa de fallos de un dispositivo varía con la temperatura de la siguiente forma: Ea λ = Aexp KT λ, tasa de fallos (Failure Rate) Ea, energía de activación relacionada con el tipo de fallo (ev). A, Cte K, Cte de Boltzmann (8,62 x 10-5 ev/ºk) T, temperaturas en ºK Para que el modelo de Arrhenius sea valido es necesario tener en cuenta: La energía de activación del fallo y la constante A se desconocen en un principio por lo que es necesario realizar los ensayos a diferentes temperaturas. Es necesario que exista una diferencia significativa entre las diferentes temperaturas para poder evaluar la energía de activación de una forma precisa. No se puede realizar los ensayos acelerados a temperaturas en la que aparecen modos de fallos diferentes ya que agregarían diferentes energías de activación lo que haría muy complejo el análisis y podría falsear los resultados. 21 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

22 Aplicación ensayos acelerados Sobreesfuerzo constante. A cada muestra de dispositivos se le realiza un único sobreesfuerzo (en nuestro caso temperatura) en el que se calcula la curva de fiabilidad al sobreesfuerzo dado. Sobreesfuerzo escalonado. A cada muestra de dispositivos se realizan diferentes esfuerzos que se incrementan de forma escalonada. Sobreesfuerzos cíclicos si simulan de forma acelerada el funcionamiento normal del dispositivo. Sobreesfuerzos aleatorios que se suelen utilizar principalmente en ensayos de vibración 22 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

23 Circuito de ensayo El circuito de ensayo esta diseñado para poder realizar medidas a 4 puntas, y ensayar 6 dispositivos en cada circuito. El sustrato es cerámico para evitar que afecte a los resultados de ensayos térmicos. Para realizar los ensayos se dispone de un sistema de adquisición de datos y equipos de alimentación 23 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

24 Plan de ensayos 1. INSPECCIÓN VISUAL n = FUNC. CEF 3. MEDIDAS INICIALES 4. ENSAYOS ESCALONADOS Tª UNIDAD DE CONTROL 5. ENSAYO HUMEDAD-Tª 6. ENSAYO FRIO-CALOR 7. MEDIDAS FINALES 24 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

25 Ensayos escalonados en temperatura En nuestro caso en el plan de ensayos vamos a utilizar en primer lugar un ensayo de sobreesfuerzo escalonado en temperatura. La principal ventaja del ensayo escalonado es que en un único ensayo se puede obtener: la curva de fiabilidad para las condiciones eléctricas del ensayo a cualquier temperatura. la energía de activación para el factor temperatura. Para que a los datos de los ensayos escalonados se les pueda aplicar Arrhenius es necesario: que durante el ensayo los dispositivos se encuentren en el periodo de vida útil. que el modo de fallo predominante en todo el ensayo sea el mismo que en condiciones normales de funcionamiento. 25 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

26 Ensayos de humedad-temperatura y frío-calor En el ensayo de humedad-temperatura se analizará la influencia de la humedad en la fiabilidad del dispositivo y los tipos de fallo asociados. En el ensayo de frío-calor se analizará la influencia de los cambios extremos de temperatura en el funcionamiento del circuito y los tipos de fallo asociados. 26 VII Congreso de Confiabilidad Fiabilidad células

27 Conclusiones Es conocido que los dispositivos emergentes, como las células solares de concentración incluidas en este trabajo, deben cumplir las especificaciones de fiabilidad exigidas para el Ciclo de Vida del nuevo Producto (CVP). Para evaluar la fiabilidad de nuevos dispositivos se han presentado dos técnicas: La técnica de predicción que en estos casos no resulta directamente aplicable debido a que no hay datos de dispositivos que utilizan la misma tecnología. Sin embargo, a partir de otros dispositivos similares como LEDs o diodos láseres podemos obtener una primera estimación de la fiabilidad del dispositivo. La demostración de la fiabilidad mediante la explotación de datos de los ensayos acelerados normalizados, y su formulación, proporcionan los valores de los parámetros de fiabilidad, en plazos de tiempo admisibles. En este trabajo se presenta una aplicación para la evaluación de la fiabilidad de los dispositivos células solares de alta concentración a ensamblar en los paneles solares desarrollados por el grupo I+D del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid. 27 VII Congreso de Confiabilidad