Битвы за землю
Не было бы счастья, да несчастье помогло. Нефтяное эмбарго со стороны арабских стран повысило стоимость нефти в несколько раз и пробудило интерес к альтернативным источникам энергии.
В 1981–1983 годах фотовольтаика выходит за пределы космоса и находит применение на земле. Кроме фотоэлементов на крышах, устанавливаются солнечные батареи в Африке для трансляции обучающих программ по телевидению, в Саудовской Аравии запускают опреснительные установки, в Тунисе строят ирригационные насосные станции с питанием от солнечных батарей. Объем производства за 5 лет вырастает в 20 раз до 20 МВт. Стоимость ватта снижается до 12,26 $/Вт. Объем рынка составляет уже значимые 250 млн долларов.
В период с 1985 по 1990 год наиболее актуальной задачей является снижение стоимости ватта установленной мощности. Во многих институтах начинаются исследования над созданием одно– и многослойных тонких пленок. Так рождается второе поколение солнечных элементов на базе кадмий-теллура (CdTe), халькопиритов (CIS, CIGS) и уже упоминавшегося арсенида галлия (GaAs).
В 1991 году швейцарский ученый Михаэль Гретцель заявляет о 9 % КПД на органических солнечных элементах – и открывает третье поколение фотоэлементов.
В 1996 году First Solar начинает работы над коммерческим производством фотоэлементов на теллуриде кадмия (CdTe), которое через десять лет выйдет на рекордную стоимостью ватта в 1,47 $/Вт.
В 2001 году Aртур Нозик открывает эффект мультиэмиссии электронов и предлагает концепты солнечных элементов на квантовых точках.
В 2005 году Валентин Самойлов, Игорь Проценко и Олег Займи дорога, ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) г. Дубна, заявляют о создании солнечного элемента, позволяющего конвертировать инфракрасное излучение и работать даже ночью.
В 2007 году Мартин Грин с коллегами увеличивают КПД кремниевого солнечного элемента в инфракрасном диапазоне на 33 % с помощью наночастиц серебра.
В 2008 году цены на нефть взлетают до $150 за баррель и помогают стоимости электроэнергии от солнечных батарей в Калифорнии сравняться со стоимостью электроэнергии в сети. Паритет достигнут. Стало выгодным переходить на собственное энергообеспечение. С момента открытия фотоэффекта прошло 170 лет.
Существуют ли законы для изобретений?
Можно ли было пройти путь разработки фотоэлементов не за 170 лет, а короче? Нет ли каких-нибудь универсальных законов создания изобретений? Вот было бы классно с их помощью ускорить прогресс!
А если законы создания изобретений существуют, то где бы их можно было искать? Где бы они могли находиться?
Может быть, в древних книгах? Ведь там много историй про создателей нашего мира. Но в древних книгах не было ответа.
В Академии наук? Ведь там находятся труды величайших ученых – лорда Кельвина, Луи Пастера, Ломоносова. К сожалению, среди стопок томов с законами физики, химии, астрономии не нашлось места законам создания технологий и изобретений.
Что же делать? Где искать? Может их вообще не существует?
Многие приходили к этому выводу и опускали руки. Но не Генрих Саулович Альтшуллер. Он выбрал другое место – патентное ведомство. И решительно направился туда. Если где и могли находиться такие законы, то только там. Вдумайтесь только, там находятся десятки, сотни и тысячи тысяч правильных ответов на поставленную задачу!
Анализируя патенты, Генрих Саулович заметил, что в разных патентах из разных областей используются похожие приемы. Например, телевизор со встроенным DVD, тройной стеклопакет и шампунь с кондиционером похожи тем, что содержат два, а то и три в одном. А что общего в гидроусилителе руля и пульте дистанционного управления? Желание, чтоб было легче и удобнее управлять. А что объединяет огурчики в банках и качественные фотографии? Чем мельче огурчики и чем меньше на фотографиях размер точки, тем лучше они продаются.
Это очередная попытка создать «теорию всего», сомневались скептики. Даже Эйнштейн не смог объять необъятное, куда уж остальным! Но Генрих Саулович упорно шел к своей цели.
В результате Альтшуллер сформулировал два закона развития технических систем:
1. Развитие технических систем идет в направлении увеличения управляемости.
2. Развитие современных технических систем идет в направлении увеличения степени дробления (дисперсности) рабочих органов.
Хорошо проведенный анализ существующих изобретений – дело нехитрое, не унимались скептики. Найти похожие решения и объяснить, что они родственники? Да это просто статистика! Если взять два больших города, в них всегда найдутся два одинаковых человека, и даже фамилии у них могут быть одинаковыми! Так что не факт, что знание законов развития технических систем поможет в создании новых изобретений. Тем более новых мощных изобретений.
Чтобы развеять обвинения, Генрих Саулович составил систему приемов и стандартов для использования законов в реальной жизни. Системе дали имя – теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). На сегодняшний день система насчитывает 76 стандартов и 40 основных приемов устранения технических противоречий, вытекающих непосредственно из законов развития технических систем.
Когда применения стандартов и приемов стало массовым, для многих стало очевидно, что изобретательство – этот, казалось бы, сугубо творческий процесс – может быть поставлено на поток. Давайте посмотрим, как ТРИЗ работает на примере производства современных фотоэлементов.
Стандарты на решение изобретательских задач
Так как же устроен солнечный элемент?
Когда солнечный луч (фотон) проходит через полупроводник, он возбуждает пару: электрон и дырку (место, на котором был электрон). Если направить электрон в нужном направлении, получится электрический ток. В противном случае электрон и дырка схлопнутся.
Как же направить электрон в нужном направлении?
Можно покрыть полупроводник слоем металла, предполагая, что металл будет поглощать возбужденные электроны. Однако слой металла находится с одной стороны, в то время как электроны движутся в трех степенях свободы (разных направлениях). В результате вероятность передачи электрона металлу низкая, а эффективность солнечных элементов долгое время составляла доли процента.
Как же сделать так, чтобы электроны двигались в одну сторону, дырки в другую, не пересекаясь друг с другом и не схлопываясь?
Четкая задача – 50 % успеха.Инженеры нашли следующее изящное решение.
Элементом, в котором есть «лишние» электроны (фосфор), легируют верхнюю часть кремниевой пластины, создавая там избыток электронов.
Элементом, в котором «не хватает» электронов (бор), легируют нижнюю часть пластины, чем создают там избыток дырок.
В результате возникают две тянущие силы, растаскивающие электрон и дырку в разных направлениях. Более того, через некоторое время частицы выстроятся таким образом (см. рисунки), что будут не только тянуть «своих», но и препятствовать противоположному движению «чужих». Таким образом, движение станет возможным только в одну сторону. Что и требовалось создать.
При облучении фотоэлемента возбужденные электроны понесутся вверх, в то время как дырки будут опускаться вниз. Если замкнуть цепь, электроны смогут, обежав круг, соединиться со своими дырками, создав упорядоченное движение зарядов, или по-другому – электрический ток.
Теперь, когда мы знаем, как устроен фотоэлемент, давайте познакомимся с технологией его производства и попробуем ее усовершенствовать с помощью стандартов и приемов ТРИЗ.
Дано: Процесс производства пластин кремниевого элемента состоит из следующих операций:
• выращивание цилиндрического слитка по методу Чохральского. Рост производят при температуре 1400 °С, что обуславливает высокие энергозатраты;
• обрезка слитка до параллелепипеда. При этом боковые части идут на повторную переплавку;
• резка слитка на пластины. Толщина пластин не может быть меньше 200–250 мкм, иначе возрастает хрупкость. Из-за загрязнения опилок кремния частичками пилы кремний из пропила идет в отход;
• полировка пластин. В ходе процессов травления кислотами идет исправление неровностей, оставленных пилой.
Задача: необходимо снизить себестоимость пластин кремниевого элемента.
Решение по Стандарту 2.4.7 «Использование физэффектов» (в частности, сил поверхностного натяжения в жидкости) и Способом № 30 «Использование гибких оболочек и тонких пленок».
Если окунуть кольцо в мыльный раствор, то за счет сил поверхностного натяжения на нем образуется пленка, из которой дети любят выдувать пузыри. Нам пузыри не нужны, а вот пленка очень даже.