DEMOSTRACIÓN DE LA FIABILIDAD DE NUEVOS DISPOSITIVOS

DEMOSTRACIÓN DE LA FIABILIDAD DE NUEVOS DISPOSITIVOS:

APLICACIÓN A CELULAS SOLARES DE CONCENTRACIÓN

Manuel VázquezDpto. Electrónica Física

EUIT de TelecomunicaciónInstituto de Energía Solar

Universidad Politécnica de Madrid

2 VII Congreso de Confiabilidad

ParticipantesInstituto 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 BarberoEnrique Galiana


ÍndiceFiabilidad de dispositivosCélulas Solares de ConcentraciónEvaluación de la Fiabilidad

Predicción de la FiabilidadDemostración de la Fiabilidad

Evaluación Fiabilidad células solaresPredicción de la FiabilidadDemostración de la Fiabilidad


ÍndiceFiabilidad de dispositivosCélulas Solares de ConcentraciónEvaluación de la Fiabilidad




Fiabilidad de dispositivosLa 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 …

Fiabilidad de dispositivos


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.

Fiabilidad de dispositivos

λ(t)

t

INFANTIL

ÚTIL ENVEJECIMIENTO O DESGASTE

λ es constante


Índice

Fiabilidad de dispositivosCélulas Solares de ConcentraciónEvaluación de la Fiabilidad




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.


Sustrato n+ (p+) GaAs

BSF n++ (p++) AlGaAs, GaInP, n++ (p++) GaAs

Base n (p) GaAs

Emisor p+ (n+) GaAs

Ventana p++ (n++) AlGaAs, GaInP, ZnSe

Contacto p++(n++) GaAs

Dedo

Capa AR

Contacto Posterior

Lf

Wf

WC

WV

WE

WB

WBSF

WS


Células solares de concentraciónCélula 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



Índice





Evaluación fiabilidadPredicción de la fiabilidad.Demostración fiabilidad:

En campo.Ensayos acelerados.

Evaluación de la fiabilidad


Evaluación predictiva

Basada en datos de fiabilidad de dispositivos de diferentes fuentes. MIL-HDBK-217 (“MIlitary Handbook-Reliability Prediction of electronic equipment”).

PRO´S:Rapidez en obtener un dato de fiabilidad.

CON´SDatos 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.

horasfallos

EPAIQTBP 610.ππππππλλ =



Demostración de fiabilidad en campoContabilizar fallos en funcionamiento normal.Es necesario que se defina “que es un fallo”de forma clara.

PRO´SObtención de datos reales.

CON´SLa tasa de fallos de un dispositivo es del orden de 10-6-10-9 fallos/hora.

Tiempos y costes no asumiblesObtención de resultados cuando el dispositivo ya se ha comercializado (seguramente será tarde y con consecuencias económicas).



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.



Índice





Evaluación Fiabilidad células solaresPredicción de la fiabilidad en base a datos

de dispositivos “similares” ya que no hay datos de células solares de concentración III-V.

LEDsLáser semiconductores

Fiabilidad células


Predicción

A evaluar-10-+801-25GaAs,AlGaAs, GaInP,AlInP,

InGaAs,InGaAsP

III-V Célula Solar Conc

10-5-10-9-55-+130500-50000GaAs,InP, AlGaAs, InGaAsP, InGaAs

LED

10-4-10-6<401000-100000GaAs,InP, AlGaAs, InGaAsP, InGaAs

Láser

λ (fallos/h)Temperatura funcionamiento

(ºC)

Densidad de corriente (A/cm2)

MaterialesDispositivo

horasfallos

EPAIQTBP 610.ππππππλλ =

Factores que más influyen a la tasa de fallos base: •La densidad de corriente con factor πI (entre 0,13 y 8,9) •La temperatura con factor πT (1 a Tj=25ºC y 9,3 con Tj=75 ºC)•El factor ambiental (entre 1 y 8)

Diodo Láser según MIL-HDBK-217λb= 3,23 Fallos/106 horas GaAs/AlGaAs y λb= 5,65 Fallos/106 horas InGaAs/InGaAsP.

COMPARACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR DE CONCENTRACIÓN CON DISPOSITIVOS “SIMILARES”

Fiabilidad células


PredicciónEl 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-61215-1997 “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.

Fiabilidad células


PredicciónEl 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 exteriorLa 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

Fiabilidad células


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.

Fiabilidad células


Ensayos acelerados (Arrhenius)En el modelo de Arrhenius la tasa de fallos de un dispositivo varía

con la temperatura de la siguiente forma:

λ, tasa de fallos (Failure Rate)Ea, energía de activación relacionada con el tipo de fallo (eV). A, CteK, 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.

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡−=

KTEaAexpλ

Fiabilidad células


Aplicación ensayos aceleradosSobreesfuerzo 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

Fiabilidad células


Circuito de ensayoEl 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

Fiabilidad células


Plan de ensayosn = 24

1. INSPECCIÓN VISUAL

2. FUNC. CEF

3. MEDIDAS INICIALES

4. ENSAYOS ESCALONADOS Tª

5. ENSAYO HUMEDAD-Tª

UNIDAD DE CONTROL

6. ENSAYO FRIO-CALOR

7. MEDIDAS FINALES

Fiabilidad células


Ensayos escalonados en temperaturaEn 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.

Fiabilidad células


Ensayos de humedad-temperatura y frío-calorEn 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.

Fiabilidad células


ConclusionesEs 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.

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