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.
