Экологический парадокс TOPCon: меньшее использование серебра может сократить потребление металлов на 41%, но полная история LCA сложнее
Введение: Почему это исследование важно сейчас
Эта статья основана на статье в Nature Communications, опубликованной онлайн в феврале 2026 года, «Максимизация экологической экономии при производстве кремниевых фотоэлементов к 2035 году» авторов Bethany L. Willis и др. Исследование представляет одно из наиболее полных сравнений жизненного цикла производства PERC и TOPCon, расширяя анализ от современных данных до технологических и сетевых сценариев 2035 года.
К концу 2023 года глобальная установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем уже превысила 1 ТВт. В долгосрочных сценариях декарбонизации это число может достичь около 80 ТВт к 2050 году. Этот рост необходим для энергетического перехода, но он также создает производственную нагрузку, которую часто недооценивают. Предыдущие оценки предполагали, что само производство фотоэлектрических систем может потреблять до 11% оставшегося глобального углеродного бюджета при сценарии 1,5 °C.
Время имеет значение, потому что основная промышленность кристаллического кремния быстро переходит от PERC до TOPCon. TOPCon предлагает более высокую эффективность, но его структура ячейки, легирующие примеси, пассивирующие слои и металлизация существенно отличаются от PERC. Ключевой вопрос прост, но сложен: снижает ли более высокая эффективность воздействие на окружающую среду, или же дополнительные материалы и сложность процесса нивелируют выгоду?
В исследовании используется оценка жизненного цикла от добычи до ворот, охватывающая цепочку от добычи кварца до производства пластин, ячеек, модулей и поставки в Центральную Европу. Функциональная единица — 1 Вт, а оценка воздействия проводится по методу EU EF v3.1 по 16 категориям. Допущения по развитию технологий основаны на дорожной карте ITRPV 2024, в то время как декарбонизация электроэнергии следует сценарию низких затрат на безуглеродные технологии EIA 2023. Регионы производства включают Китай, Индию, США и Европу, для проверки неопределенности используется анализ Монте-Карло.
PERC против TOPCon: лучше в 15 категориях, хуже в одной
По базовому сценарию 2023 года (производство в Китае и поставка в Центральную Европу) TOPCon превосходит PERC в 15 из 16 категорий воздействия на окружающую среду в пересчете на Вт. Единственная категория, где TOPCon хуже, — это использование металлов и минеральных ресурсов.
| Категория воздействия | TOPCon против PERC на Вт |
|---|---|
| Изменение климата | -6.5% |
| Твердые частицы | Ниже |
| Эвтрофикация пресных вод | Ниже |
| Фотохимическое образование озона | Ниже |
| Истощение ископаемых ресурсов | Ниже |
| Истощение металлов и минеральных ресурсов | +15.2% |
Рис.1 | Нормализованное сравнение шести основных категорий воздействия между PERC и TOPCon с процентными различиями.
Увеличение воздействия на металлические ресурсы на +15,2% в значительной степени связано с серебром. В ячейках PERC металлизация тыльной стороны использует комбинацию серебра и алюминия. В ячейках TOPCon как фронтальная, так и тыльная металлизация в большей степени полагаются на серебряную пасту. В результате, хотя TOPCon производит больше энергии на единицу площади, его потребность в серебре на Вт остается критической экологической проблемой.
Это первый слой парадокса: TOPCon чище в большинстве категорий жизненного цикла, но его металлический след может быть хуже из-за интенсивного использования серебра в металлизации.
Анализ горячих точек: электричество доминирует в углеродном следе, серебро доминирует в использовании металлов
Исследование разбивает производство TOPCon-модулей на четыре основных этапа: производство пластин, производство ячеек, сборка модулей и транспортировка в Центральную Европу. Результаты показывают, что различные экологические категории контролируются совершенно разными горячими точками.
Производство пластин является крупнейшей горячей точкой по выбросам углерода
Этап пластин доминирует в 12 из 16 категорий воздействия. В шести ключевых категориях, выделенных в статье, потребление электроэнергии, связанное с пластинами, вносит значительный вклад в:
| Категория | Доля от потребления электроэнергии на пластины |
|---|---|
| Истощение ископаемых ресурсов | 88.2% |
| Изменение климата | 89.9% |
| Твердые частицы | 93.5% |
Более 85% потребности в электроэнергии для пластин приходится на восстановление поликремния и вытягивание кристаллов по методу Чохральского. На практике углеродный след солнечного модуля сильно зависит от структуры электропотребления на этапах производства поликремния и слитков.
Производство ячеек является горячей точкой по использованию металлов
Этап ячеек — единственный этап, где доминирует использование металлических ресурсов. Металлизация серебряной пастой составляет 53,0% от общего использования металлов в модуле и 98,3% использования металлов на этапе ячеек. Другие горячие точки на этапе ячеек включают силан для осаждения поли-Si и PECVD, электроэнергию для отжига и выбросы NMVOC при очистке растворителями.
Сборка модулей определяется стеклом, медью и оловом
Этап модуля вносит значительный вклад в токсичность для человека и землепользование. Ключевые материалы включают лицевое стекло, кальцинированную соду, тяжелое масло, используемое в производстве стекла, медь и олово. Олово используется в относительно небольших количествах, но его вклад в показатели использования металлов все еще заметен.
Транспортировка определяется морскими перевозками, но морской фрахт все еще относительно эффективен
Для доставки из Китая в Европу воздействие транспорта в абсолютном выражении определяется морскими перевозками. Однако на тонно-километр морской фрахт остается гораздо чище, чем автомобильный транспорт. Транспорт вносит вклад особенно в фотохимическое образование озона из-за углеводородного топлива и логистической инфраструктуры.
Рис.2 | Вклад горячих точек этапов пластин, ячеек, модуля и транспортировки по шести основным категориям воздействия.
Регион производства и временной прогноз: Европа лидирует, но 2035 год вносит изменения
В статье затем моделируется производство TOPCon в Китае, Индии, США и Европе с 2023 по 2035 год. Рассматриваются как текущие структуры электрогенерации, так и будущие сценарии декарбонизированных сетей. Технологические параметры, такие как эффективность, расход серебра, потребление поликремния и толщина пластин, ежегодно улучшаются в соответствии с предположениями ITRPV.
Рис.3 | Шесть основных категорий воздействия по регионам производства с 2023 по 2035 год. Сплошные линии соответствуют текущим сетям; пунктирные линии — будущим декарбонизированным сетям.
Несколько результатов выделяются.
| Результат | Детали |
|---|---|
| Наивысший GWP в 2023 году | Индия, около 0,95 кг CO₂экв/Вт |
| Наименьший GWP в 2023 году | Европа, около 0,40 кг CO₂экв/Вт |
| Улучшение только за счет технологии | Среднее снижение GWP примерно на 0,10 кг CO₂экв/Вт к 2035 году, если сети не изменятся |
| Результат по твердым частицам для Китая | Китай может показать более высокое воздействие твердых частиц, чем Индия, из-за собственного потребления электроэнергии при добыче угля и выбросов твердых частиц в инвентаризации сети |
| Парадокс использования металлов | Будущие низкоуглеродные сети могут незначительно увеличить воздействие использования металлов, поскольку инфраструктура возобновляемой энергии сама требует больше критических минералов |
Наиболее неожиданным результатом является парадокс использования металлов. Более чистая электросистема снижает выбросы углерода, но инфраструктура возобновляемой энергии может требовать больше дефицитных металлов. В EF v3.1 дефицитные металлы, такие как серебро и редкоземельные элементы, имеют высокие коэффициенты характеризации. При будущих сценариях сети к 2035 году США становятся случаем с наибольшим использованием металлов, в то время как Европа остается наименьшей, поскольку ее сетевой сценарий имеет относительно меньшую долю фотоэлектрических систем.
Другими словами, декарбонизация улучшает климатический баланс, но может ухудшить баланс минеральных ресурсов, если система опирается на металлоемкую инфраструктуру чистой энергии.
Глобальное развертывание до 2035 года: можно избежать до 8,2 Гт CO₂экв
Используя прогнозы поставок ITRPV, исследование предполагает, что PERC покинет рынок к 2034 году, а TOPCon станет доминирующим преемником. Затем рассчитываются совокупные глобальные производственные воздействия при различных сценариях регионального производства и сетей.
Рис.4 | Совокупное влияние изменения климата и использования металлов для глобального развертывания PERC и TOPCon. Заштрихованные области показывают разницу между текущим и будущим сценариями энергосистем.
Ключевые результаты включают:
Совокупные выбросы от производства PERC и TOPCon до 2035 года могут достичь верхнего предела около 13,8 Гт CO₂-экв.
Оптимизация места производства и декарбонизация электроэнергии могут сократить это до 8,2 Гт CO₂-экв.
Эта экономия эквивалентна примерно 13,9% глобальных антропогенных чистых выбросов парниковых газов в 2019 году.
Перенос производства из Китая в Европу в рамках предполагаемого сценария EIA может снизить совокупный ПГП еще на 49.5%.
Влияние использования металлов возрастает по мере декарбонизации энергосистем, при этом Европа показывает лучшие результаты, а США — худшие в будущих сценариях.
Энергетическая выгода остается очень высокой. Ожидается, что модули, произведенные с 2023 по 2035 год, выработают около 94 602 ТВт·ч за первые 12 лет их предполагаемого 30-летнего срока службы. Их производственные выбросы оцениваются примерно в 2,26 Гт CO₂-экв. Производство того же объема электроэнергии с использованием будущих региональных энергосистем приведет к выбросам от 27 до 67 Гт CO₂-экв. Даже при консервативных предположениях предотвращенные выбросы превышают 25 Гт CO₂-экв.
Рис.5 | Углеродоемкость жизненного цикла солнечных фотоэлектрических систем по сравнению с будущей региональной углеродоемкостью электроэнергии.
Анализ чувствительности: выбор структуры энергосистемы и технологий меняет результат
В исследовании проводится несколько тестов на чувствительность, чтобы определить, какие рычаги наиболее важны.
Углеродоемкость субэнергосистемы важнее, чем страна происхождения
Рис.6 | Диапазоны ПГП по субэнергосистемам в четырех регионах. Черные линии показывают среднюю энергосистему, используемую в основной модели.
Китай имеет самый широкий диапазон субэнергосистем, от примерно 0,32 до 0,58 кг CO₂-экв/Вт. Самая низкоуглеродная китайская подсистема близка к европейскому эталонному сценарию. Это означает, что маркировка «сделано в Китае» или «сделано в Европе» слишком широка для серьезного учета углерода. Фактическое подключение к сети, местное соглашение о покупке электроэнергии и прямой доступ к возобновляемой электроэнергии могут определить, соответствует ли модуль низкоуглеродным порогам, таким как EPEAT Climate+.
Уголь является наиболее чувствительным ископаемым топливом
Рис.7 | Влияние изменений на ±5% в долях отдельных видов топлива по 16 экологическим категориям.
Изменение доли угля на ±5% оказывает наибольшее влияние на девять категорий, включая +4,8% изменения GWP. Атомная энергия сильно влияет на показатели ионизирующего излучения, но оказывает меньшее влияние на другие категории. Гидроэнергетика является единственным возобновляемым источником, который снижает все 16 категорий в этом тесте чувствительности, что позволяет предположить, что производство фотоэлектрических модулей с использованием гидроэнергии может быть особенно благоприятным с точки зрения LCA.
Четыре технических рычага определяют следующий этап устойчивости фотоэлектрических систем
Рис.8 | Чувствительность к повышению эффективности, снижению содержания серебра до 5 мг/Вт, снижению энергопотребления пластин и снижению содержания силана.
| Рычаг | Влияние на PERC | Влияние на TOPCon | Основной эффект |
|---|---|---|---|
| Повышение эффективности | +12.6% | +15.9% | Снижает все категории пропорционально на Вт |
| Серебро снижено до 5 мг/Вт | -66,5% потенциала, связанного с серебром | -78,0% потенциала, связанного с серебром | Снижает воздействие использования металлов более чем на 41%; мало влияет на другие категории |
| Энергопотребление пластин снижено на 26% | Сильное снижение | Сильное снижение | Снижает GWP, твердые частицы, эвтрофикацию пресной воды и истощение ископаемых ресурсов более чем на 10% |
| Силан снижен на 14,4% | Небольшое снижение | Небольшое снижение | Широкий, но умеренный экологический эффект |
Цель по серебру 5 мг/Вт взята из порога устойчивости на уровне нескольких тераватт, обсуждаемого Haegel et al. в Science 2023. Достижение этой цели резко снизит воздействие использования металлов, но не решит проблемы углерода, твердых частиц или ископаемой энергии. Вот почему значительное снижение использования серебра не является полной экологической историей.
Проверка неопределенности методом Монте-Карло подтверждает основной вывод
Рис.9 | Результаты доверительного интервала Монте-Карло по 16 категориям воздействия на окружающую среду.
После 10 000 прогонов Монте-Карло PERC показывает более высокое воздействие, чем TOPCon, более чем в 70% симуляций для 11 из 16 категорий. Для изменения климата уровень достоверности составляет 71.5%. Для истощения озонового слоя он достигает 98.7%. Использование металлов движется в противоположном направлении с 95,8% доверия, что подтверждает, что TOPCon, скорее всего, потребляет больше металлических ресурсов при базовых предположениях.
Отраслевые последствия: переход на TOPCon позитивен, но не автоматически устойчив
Результаты приводят к нескольким практическим выводам для солнечной производственной отрасли.
Замена PERC на TOPCon в целом экологически положительна, но серебро становится проблемой жизненного цикла, а не только проблемой стоимости. Поэтому технологии меднения и стеки Ni/Cu/Ag являются не только вариантами снижения затрат, но и важны для снижения показателей использования металлических ресурсов.
Электроэнергия для пластин является крупнейшим источником выбросов в климате. Снижение содержания поликремния и вытягивание кристаллов — ключевые процессы, за которыми нужно следить. Для соблюдения требований по углеродному следу место производства должно оцениваться на уровне подсистемы, а не просто по стране.
Низкоуглеродная электроэнергия может создать компромисс по минералам. Декарбонизированная сеть снижает ПГП, но если расширение сети сильно зависит от металлоемких возобновляемых систем, показатели использования металлов могут возрасти.
Повышение эффективности — самый чистый рычаг по всем категориям. Более высокая эффективность модуля снижает площадь, материалоемкость и потребность в энергии на Вт по всей цепочке создания стоимости. TOPCon имеет более сильный рычаг эффективности, чем PERC, но это преимущество должно быть защищено за счет снижения потребления серебра.
Мнение Ooitech
Как поставщик оборудования, тесно работающий с линиями производства солнечных модулей, мы рассматриваем переход на TOPCon как напоминание о том, что более высокая эффективность ячеек сама по себе недостаточна для определения действительно устойчивого производственного маршрута. Наиболее важными решениями на уровне фабрики будут готовность к процессу сокращения расхода серебра, выбор источника электроэнергии для пластин и стабильный контроль процесса, способный преобразовать прирост эффективности в реальную экономию материалов на ватт-пик. Для будущих линий модулей, особенно предназначенных для TOPCon или продуктов n-типа следующего поколения, экологическая эффективность будет все больше зависеть от того, насколько хорошо оборудование, материалы и энергетическая стратегия фабрики спроектированы вместе.
