Estudio de la fuerza de adhesión de partículas de Soiling con microscopía de fuerza atómica

Abstract

La obtención de energía de forma más amigable con el medio ambiente es un tema que ha tomado fuerza en los últimos años, pues el desarrollo de nuevo conocimiento y nuevas tecnologías ha permitido abrir las puertas a nuevas opciones y mejoras en el campo. Una de las tecnologías más prometedoras y con mayor interés tanto, a nivel científico como de aplicación, es la energía solar fotovoltaica. La energía generada con paneles fotovoltaicos consiste en utilizar la radiación proveniente del sol para la generación de electricidad, lo que es de gran interés por la alta disponibilidad de radiación solar que llega a la superficie en áreas como planicies y desiertos. La tecnología utilizada en la industria fotovoltaica lleva años siendo desarrollada y perfeccionada, sin embargo, aún no está cerca de alcanzar su máximo potencial. Las mejoras a los paneles fotovoltaicos pueden ser implementadas en todos los ámbitos; desde su instalación hasta sus componentes. Es en este último punto donde centraremos la investigación, en específico en la capa protectora transparente de vidrio. Esta capa es la que se debe limpiar y cuidar constantemente en las instalaciones, pues al ensuciarse o dañarse generan un gran cambio en la eficiencia del módulo fotovoltaico. El ensuciamiento de los módulos por material particulado se conoce como soiling. En este trabajo mediremos la fuerza de adhesión de las partículas de soiling sobre vidrio con microscopía de fuerza atómica (AFM). Para medir la fuerza de interacción primero debemos fabricar una sonda coloidal con un cantilever sin punta y una partícula del soiling recolectado directamente de paneles solares instalados en el Desierto de Atacama. El método para fabricar esta sonda consiste en utilizar un micromanipulador para acercar la esquina de la viga del cantilever sin punta a una muestra con un grano de arena previamente visualizado y escogido con un microscopio óptico. Luego buscamos fijar este grano a la punta de la viga para obtener la sonda que nos servirá para medir la fuerza de adhesión entre el grano de arena y diversas superficies por medio de microscopía de fuerza atómica. Una vez fabricada la sonda, medimos la fuerza entre el grano de arena y una oblea de silicio, un vidrio recién sacado de la caja y un vidrio limpiado con isopropanol. Con esto, pudimos verificar que el método de fabricación de sonda coloidal es efectivo y que existe una diferencia entre las fuerzas del grano de arena sobre las distintas superficies a pesar de ser el mismo grano de arena para todas. Además, cambia la fuerza si el sustrato no se encuentra limpio, como es el caso del vidrio recién sacado de la caja en comparación con el mismo vidrio limpiado.Different ways to obtain energy in a more sustainable and eco-friendly manner is a topic that has gained strength during the last years thanks to the development of new knowledge and technology that opens the door to new opportunities and improvements in the field. One of the most promising technologies with interest in a scientific and applicated level is photovoltaic solar energy. Energy is generated with photovoltaic panels by taking the radiation coming from the sun to generate electricity, this has a lot of interest thanks to the high availability of solar radiation in plains and deserts. The technology used in the photovoltaic industry has been developed during all these years but is not near to its maximum potential. Improvements in photovoltaic panels can be implemented in every aspect, from its installation to the components. It is in the components where we will center the investigation, specifically in the glass protective layer. This layer is the one that must be cleaned and maintained constantly because any damage or soiling will drastically change the efficiency of the photovoltaic module. In this work we will measure the adhesion force of this soiling particles on the glass with atomic force microscopy (AFM). To measure the force of the interaction first we have to fabricate a colloidal probe with a tipless cantilever and a particle of soiling from the photovoltaic panels installed at the Atacama Desert. The method to fabricate this probe consists in using a micromanipulator to approach the tip of the cantilever to a sample of soiling previously chosen with an optical microscope. Then we fix this particle to obtain the probe that will allow us to measure the adhesion force between the particle and different surfaces using atomic force microscopy. Once the probe is fabricated, we measure the force between the sand particle and a silicon wafer, a fresh out of the box glass slide and a glass slide cleaned with isopropanol. We were able to verify the method to create the probe and notice a difference in the force measured between the particle and the different surfaces, although we used the same probe for every measurement. We were also able to notice a difference in the measured force when the surface was not cleaned as it is shown in the case of the different slides.