Análisis de la fiabilidad de células solares de concentración

En la década de 2000, los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) fueron uno de los actores significativos en el sector de la energía renovable, mostrando un crecimiento muy rápido y unos precios próximos a ser competitivos que hacían presagiar un futuro brillante. Durante este período, se desarrollaron muchas nuevas técnicas de fabricación, estructuras semiconductoras y configuraciones de módulos, por lo que la mayoría de ellas nunca tuvieron tiempo suficiente para ser evaluadas en cuanto a su fiabilidad. Esta tesis abarca el trabajo que se realizó durante el apogeo de la CPV (2010-2015), con un gran interés tanto de la academia como de la industria en la fiabilidad de los componentes que formaban parte de los sistemas CPV, pero principalmente, de las células solares que serían el corazón de los módulos. Se llevaron a cabo múltiples pruebas de vida acelerada (ALT) y pruebas de estrés por etapas en células solares multiunión comerciales y de investigación. Dos tipos de células solares multiunión (la primera, una células comercial de triple unión de GaInP/Ga(In)As/Ge ajustada en red y la segunda, una célula de I+D de triple unión de GaInP/GaInAs/Ge desajustada en red) pasaron por un conjunto completo de pruebas de fiabilidad, incluyendo ALT con análisis de fiabilidad y fallos, mientras que un grupo de cuatro tipos de células solares multiunión formaron parte de pruebas de estrés por etapas más cortas para proporcionar información básica sobre los tiempos de garantía mínimos y su robustez. Para acometer esos ensayos (y como parte de esta tesis), se diseñó y desarrolló una plataforma de pruebas, con procedimientos y protocolos de prueba cuidadosamente definidos, para garantizar que los resultados de estas pruebas prolongadas se obtuvieran y almacenaran correctamente, para permitir una investigación exitosa de la fiabilidad y fallos. El trabajo en esta tesis también permitió el desarrollo posterior de la primera norma de cualificación para células solares de concentración y células en soportes: IEC 62787. ABSTRACT In the mid 2000s concentrator photovoltaic systems (CPV) were significant players in the renewable energy sector, showing very quick growth and prices approaching competitiveness, indicating a promising future. During this period many new manufacturing techniques, semiconductor structures, and module configurations were developed, with most of them not having enough time for reliability evaluations. This thesis covers the work conducted during the peak of CPV (2010-2015), with significant interest from both industry and academia in the reliability of components within CPV systems, primarily focusing on the solar cells that constitute the heart of the modules. Multiple accelerated life tests (ALT) and step-stress tests were carried out on commercial and research multijunction solar cells. Two types of multijunction solar cells (a commercial lattice matched GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junction solar cell, and an R&D lattice mismatched GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cell) went through a complete reliability test suite, including full ALTs with reliability and failure analysis, while a group of four different multijunction solar cells were part of shorter step-stress tests to provide some basic information on minimum warranty times and/or robustness. To achieve the results above (and as part of this thesis) a testing platform was designed and developed, with carefully defined test procedures and protocols, to ensure that the results from these lengthy tests were obtained and stored correctly, to enable a successful reliability and failure analysis investigation. The work in this thesis also enabled the subsequent development of the first qualification standard for concentrator solar cells and cell on carriers: IEC 62787.