DEMOSTRACIÓN DE LA FIABILIDAD DE NUEVOS DISPOSITIVOS

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
Participantes
‡
Instituto de Energía Solar
‡
‡
‡
‡
‡
‡
‡
‡
Tecnológica S.A.
‡
‡
2
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)
Juan Barbero
Enrique Galiana
VII Congreso de Confiabilidad
Índice
Fiabilidad de dispositivos
‡ Células Solares de Concentración
‡ Evaluación de la Fiabilidad
‡
„
„
‡
Evaluación Fiabilidad células solares
„
„
3
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
VII Congreso de Confiabilidad
Índice
Fiabilidad de dispositivos
‡ Células Solares de Concentración
‡ Evaluación de la Fiabilidad
‡
„
„
‡
Evaluación Fiabilidad células solares
„
„
4
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
VII Congreso de Confiabilidad
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.
„
„
5
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 …
VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad de dispositivos
Parámetros de fiabilidad
‡
Fiabilidad en función del tiempo R(t).
‡
Tasa de fallos (λ(t)).
Probabilidad de que el
dispositivo funcione de acuerdo a especificaciones en unas condiciones dadas.
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
t
6
VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad de dispositivos
Índice
Fiabilidad de dispositivos
‡ Células Solares de Concentración
‡ Evaluación de la Fiabilidad
‡
„
„
‡
Evaluación Fiabilidad células solares
„
„
7
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
VII Congreso de Confiabilidad
Células solares de concentración
Nuevos dispositivos
fotovoltaicos fabricados con
estructuras
semiconductoras de
materiales III-V.
‡
‡
Alto rendimiento energético
(30%).
Alta concentración lumínica
(1000soles).
Lf
Dedo
WC
Contacto p++
(n++) GaAs
WV
Capa AR
Ventana p++ (n++) AlGaAs, GaInP, ZnSe
WE
Emisor p+ (n+) GaAs
WB
Base n (p) GaAs
WBSF
BSF n++ (p++) AlGaAs, GaInP, n++ (p++) GaAs
WS
Dispositivos en fase
preindustrial. No hay datos
de fiabilidad de estos
dispositivos.
8
Wf
Sustrato n+ (p+) GaAs
Contacto Posterior
VII Congreso de Confiabilidad
Células solares de concentración
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
Índice
Fiabilidad de dispositivos
‡ Células Solares de Concentración
‡ Evaluación de la Fiabilidad
‡
„
„
‡
Evaluación Fiabilidad células solares
„
„
10
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
VII Congreso de Confiabilidad
Evaluación fiabilidad
Predicción de la fiabilidad.
‡ Demostración fiabilidad:
‡
„
„
11
En campo.
Ensayos acelerados.
VII Congreso de Confiabilidad
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”).
λP = λBπ T π Qπ I π Aπ Pπ E .
fallos
10 6 horas
PRO´S:
‡ 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
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
10-6-10-9 fallos/hora.
‡
„
13
Tiempos y costes no asumibles
Obtención de resultados cuando el dispositivo ya se
ha comercializado (seguramente será tarde y con
consecuencias económicas).
VII Congreso de Confiabilidad
Evaluación de la fiabilidad
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
Índice
Fiabilidad de dispositivos
‡ Células Solares de Concentración
‡ Evaluación de la Fiabilidad
‡
„
„
‡
Evaluación Fiabilidad células solares
„
„
15
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
Predicción de la Fiabilidad
Demostración de la Fiabilidad
VII Congreso de Confiabilidad
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.
„
„
16
LEDs
Láser semiconductores
VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
Predicción
COMPARACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR DE CONCENTRACIÓN CON DISPOSITIVOS “SIMILARES”
Diodo Láser según MIL-HDBK-217
λb= 3,23 Fallos/106 horas GaAs/AlGaAs y
λb= 5,65 Fallos/106 horas InGaAs/InGaAsP.
λ P = λ B π T π Q π I π Aπ P π E .
fallos
10 6 horas
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)
Dispositivo
Densidad de corriente
(A/cm2)
Láser
GaAs,InP, AlGaAs,
InGaAsP,
InGaAs
1000-100000
<40
10-4-10-6
LED
GaAs,InP, AlGaAs,
InGaAsP,
InGaAs
500-50000
-55-+130
10-5-10-9
1-25
-10-+80
A evaluar
III-V Célula
Solar Conc
17
GaAs,AlGaAs,
GaInP,AlInP,
InGaAs
,InGaAsP
Temperatura
funcionamiento
(ºC)
λ (fallos/h)
Materiales
VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
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-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.
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VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
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:
„
„
„
19
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
VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
Ensayos acelerados células solares
El ensayo acelerado de las células solares de concentración se
realiza de dos formas diferentes:
‡
‡
20
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.
VII Congreso de Confiabilidad
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:
⎡ Ea ⎤
⎥
⎣ KT ⎦
λ = Aexp⎢−
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:
‡
‡
‡
21
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.
VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
Aplicación ensayos acelerados
‡
‡
‡
‡
22
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
VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
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
Plan de ensayos
n = 24
1. INSPECCIÓN
VISUAL
2. FUNC.
CEF
3. MEDIDAS
INICIALES
4. ENSAYOS
ESCALONADOS Tª
UNIDAD DE
CONTROL
5. ENSAYO
HUMEDAD-Tª
6. ENSAYO
FRIO-CALOR
7. MEDIDAS
FINALES
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VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
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:
„
„
25
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.
VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
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.
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VII Congreso de Confiabilidad
Fiabilidad células
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:
„
„
‡
27
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.
VII Congreso de Confiabilidad