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.
Что будет, если мыльный раствор заменить на расплав кремния, а кольцо – на квадратную рамку? Правильно, тонкая кремниевая пленка, которая при охлаждении кристаллизуется. Если ее аккуратно вырезать лазером по контуру, получится готовая пластина без каких либо потерь.
Чтобы кремний успел кристаллизоваться, скорость, «изъятия» рамки из расплава должна быть достаточно медленной. Поэтому решение разумно дополнить Приемом № 5 «Принцип объединения однородных или предназначенных для смежных операций объектов» и одновременно опускать несколько рамок. Таким образом в 1965 году был разработан Edge-defined film-fed growth (EFG) – процесс.
Резать или вытягивать? Вот в чем вопрос!
Хорошо, от потерь мы избавились, но толщина пластины все равно составляет 300 мкм. Нужно меньше.
Решение Способами № 1 «Принцип дробления» и № 14 «Принцип сфероидальности». Площадь шара почти в 4 раза больше площади пластины. Это значит, что при одинаковой толщине, сферический элемент будет работать в 4 раза интенсивнее. Более того:
• сферическая форма позволяет фотоэлементу быть постоянно обращенной к солнцу (в отличие от плоских пластин);
• не связанные друг с другом кристаллы теперь могут гнуться!
Так в 1974 году появились фотоэлементы на сферических кристаллах.
Как ты шарик ни крути, он все равно тебе и солнцу улыбается…
Хорошо, от потерь мы избавились, но толщина все равно составляет 300 мкм. Нужно меньше. Но, уменьшая толщину, мы сталкиваемся с хрупкостью: при резке пластина ломается, при выращивании из расплава пленка рвется. Что делать?
Решение с помощью Приема № 3 «Принцип местного качества», пункт Б – «Разные части объекта должны выполнять различные функции». В нашем случае одна часть фотоэлемента должна отвечать за конвертацию излучения, вторая – за надежность. Для этого можно, как в бутерброде, взять хорошую подложку из дешевого материала, тогда и слой масла может быть тоньше. В случае с кремнием толщину удалось снизить до 1 мкм, а на рынке в 1976 г. появились гибкие тонкопленочные фотоэлементы на аморфном кремнии.
Когда эйфория по поводу толщины в 1 мкм сошла, выяснилось, что из-за сниженного КПД (6–8 % у пленок против 15–17 % у кристаллических пластин) пленкам требуется больше места, что для стесненных габаритов больших городов не очень-то приемлемо. Встала новая задача – сохранив низкий расход кремния, поднять наш КПД.
Решение Способом № 3 «Принцип местного качества» (разные части объекта должны выполнять различные функции) и Способом № 40 «Применение композиционных материалов».
Чем тоньше слой, тем больше бутербродов!
Не будет ли бутерброд вкуснее, если поверх масла положить колбасу? Почему бы не объединить наши пленки и шарики в многослойный элемент? Пусть аморфный кремний работает с длинноволновой частью спектра, а микрокристаллы – с длинноволновой. Такие элементы получили название «Тандемные» и увеличили КПД до 11 %.
Бутерброд с колбасой всяко вкуснее!
И напоследок мне хотелось бы продемонстрировать еще один изящный прием – метод маленьких человечков. Суть его в том, чтобы представить: а что должны делать маленькие человечки, чтобы решить нашу задачу. Например, чтобы еще больше увеличить КПД.
Мы знаем, что кремний взаимодействует с ограниченным спектром электромагнитного излучения (350–750 мкм). Это значит, что инфракрасное (>750) и ультрафиолетовое (<350) излучение не используется. Вот было бы здорово, если бы маленькие человечки научились захватывать эти волны и конвертировать его в электричество.
Не можешь сам, найми человечков!
Я, затаив дыхание, ждал сообщений, кто же первый сопряжет наночастицы и фотоэлемент. В начале 2000-х годов начали появляться сообщения, что наночастицы могут взаимодействовать с электромагнитным излучением. Наибольших успехов добились исследователи Университета Нового Южного Уэльса, Австралия, под руководством профессора Саприя Пиллай (Supriya Pillai). В 2006 году им удалось увеличить КПД кремниевого элемента на 33 %, о чем они отрапортовали в Applied Physics.
Разработка технологий. Инструкция по применению
Чтобы разработать новую технологию, нужно сформулировать бизнес-задачу в соответствии с законами развития технических систем:
• развитие технических систем идет в направлении увеличения управляемости;
• развитие современных технических систем идет в направлении увеличения степени дробления (дисперсности) рабочих органов.
К полученной задаче нужно приложить один из 76 стандартов или 40 приемов ТРИЗ, немного фантазии и чуточку терпения. Вы поразитесь результатам. Ваши друзья тоже.
* * *Здорово, скажете вы. Теперь можно изобретать. Но наверняка у вас крутится в голове вопрос: а могу ли я?
Для этого рекомендую прочитать книгу Г.С. Альтшуллера «Найти идею». А в ней обратите внимание на место, где автор дает ответ на этот вопрос.
Все крупные изобретения сделаны неспециалистами, потому что нужной специальности просто еще нет: изобретатель и становится первым специалистом
(Г.С. Альтшуллер).Пароход изобрел часовщик и художник Фултон.
Паровоз – горный инженер Стефенсон.
Самолет – моряк Можайский и велосипедные мастера братья Райт.
Возможно, на создание и практическую реализацию придуманной технологии потребуются годы.
Поэтому хорошо начинать, когда тебе всего 18. Когда можно выбрать профильный вуз, чтобы разобраться в технологиях и материалах. Затем выбрать компанию для стажировки, где ведутся работы в нужном тебе направлении. Найти соратников и нужных тебе людей.
Годам к 25–27 у тебя будут знания, опыт, и ты вплотную подойдешь к практической реализации своей мечты.
В 35 ты можешь выйти на пенсию со словами:
Как прекрасен этот мир!
4. Как защитить технологию?
Псковичи Барма и Постник вошли в историю как архитекторы собора Василия Блаженного, а Иван Грозный – как человек, приказавший ослепить их, чтобы ничего подобного больше не построили.
Фламандец Джон сделал для Итонского колледжа цветные стекла, а в историю он вошел благодаря королю Генриху VI, который выдал ему первый английский патент.
Патентное ведомство США обеспечило защиту водяному пистолету Super Soaker на 20 лет, а Лонни Джонсон вошла в историю, сделав за это время более полумиллиарда долларов на продаже лицензий.
Чтобы тебя не смогли обойти на повороте, в этой главе мы разберем основные шаги по защите интеллектуальной собственности.
Формы защиты интеллектуальной собственности
Поиск маркетинговой ниши, разработка технологии занимают много времени. И обидно будет, если кто-то, случайно узнавший о ваших результатах, воспользуется ими вместо вас.
Представьте себе, что вы просыпаетесь от кошмарного сна (а вы накануне обсуждали с партнерами развитие и перспективы вашей технологии). Наутро раскрываете газету, а в ней статья. Про вашу технологию. Но без вас.
А на месте партнеров может быть значительное количество лиц. Кроме собственных сотрудников, вам придется контактировать с внешними – технологами, инженерами, подрядчиками, инвесторами и т. д. Чем больше людей помогает вам с технологией и бизнесом, тем лучше, но одновременно и рискованнее. Ограничивать общение – не выход. Что же делать?
Для защиты от подобных посягательств (а заодно и стимулирования изобретательства) государство предоставляет защиту для интеллектуальной собственности в виде патента на изобретение сроком до 20 лет.
Различают три вида патентов: патент на изобретение, патент на полезную модель, патент на промышленный образец.
Изобретение – это техническое решение, применимое в промышленной деятельности. Патентная защита гарантирована только новым и не известным из уровня техники изобретениям. К изобретениям относят: устройства, способы, вещества, штаммы микроорганизмов. Срок действия патента на изобретение – 20 лет (начиная с даты подачи патентной заявки).
Что считается изобретением? Изобретению предоставляется правовая охрана, если оно является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо:
Изобретение является новым, если оно не известно из уровня техники (не известно специалистам в своей области). Уровень техники включает любые сведения, ставшие общедоступными в мире до даты приоритета изобретения. Это может быть информация из специализированных справочников, журналов, сборников докладов на конференциях, а также сведения из уже существующих патентов.