Экологический парадокс TOPCon: меньшее использование серебра может
Содержание
Краткий ответ: TOPCon представляет собой экологический парадокс: он превосходит PERC почти по всем показателям воздействия, кроме серебра. Исследование, опубликованное в Nature Communications, показало, что, хотя более низкое потребление серебра на ватт у TOPCon улучшает его общий след, оставшееся серебро несёт непропорционально большую долю воздействия — добыча и очистка серебра составляют долю от общего воздействия, которая намного превышает его массовую долю. Соответствующие цифры находятся в диапазоне от 6,5% до 15,2% вклада в воздействие от материала, который составляет небольшую часть элемента по весу. Именно поэтому снижение количества серебра на элемент рассматривается как рычаг как для затрат, так и для экологии. Практический вывод для производителя заключается в том, что решения по проектированию металлизации — ширина пальцев, количество шин, состав пасты — теперь несут не только аргумент эффективности, но и экологический аргумент.
Производство PV-модулей · от Джерри, Ooitech
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 фотоэлектрических систем до 2035 года» Бетэни Л. Уиллис и др. Исследование представляет одно из наиболее полных сравнений жизненного цикла между PERC и TOPCon производством фотоэлектрических элементов, расширяя анализ от сегодняшних производственных данных до технологических и сетевых сценариев 2035 года.
К концу 2023 года глобальная установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем уже превысила 1 ТВтп. В долгосрочных сценариях декарбонизации это число может достичь около 80 ТВтп 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 отрасль кристаллического кремния быстро переходит от PERC до TOPCon. TOPCon предлагает более высокую эффективность, но его структура ячейки, легирующие примеси, пассивирующие слои и металлизация значительно отличаются от PERC. Ключевой вопрос прост, но сложен: снижает ли более высокая эффективность воздействие на окружающую среду, или же дополнительные материалы и сложность процесса перевешивают выгоду?
В исследовании используется оценка жизненного цикла от колыбели до ворот, охватывающая цепочку от добычи кварца до производства пластин, ячеек, модулей и отгрузки в Центральную Европу. Функциональная единица составляет 1 Вт, а оценка воздействия следует 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
В базовом сценарии 2023 года при производстве в Китае и поставке в Центральную Европу TOPCon показывает лучшие результаты, чем PERC, в 15 из 16 категорий воздействия на окружающую среду в расчете на Вт. Единственная категория, где TOPCon уступает, — 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 зависят от серебряной пасты. В результате, даже несмотря на то, что TOPCon производит больше энергии на площадь, 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 интенсивной металлизации серебром.
Анализ горячих точек: электроэнергия доминирует в углеродном следе, серебро — в использовании металлов
Исследование разбивает производство модулей TOPCon на четыре основных этапа: производство пластин, производство ячеек, сборка модулей и транспортировка в Центральную Европу. Результаты показывают, что разные экологические категории контролируются совершенно разными горячими точками.
Производство пластин является крупнейшей горячей точкой по выбросам углерода
Пластина доминирует в 12 из 16 категорий воздействия. В шести ключевых категориях, выделенных в статье, потребление электроэнергии на производство пластин вносит значительный вклад в:
| Категория | Доля потребления электроэнергии на производство пластин |
|---|---|
| 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 выращивание кристаллов методом Чохральского. На практике углеродный след солнечного модуля во многом определяется структурой электрогенерации, используемой на этапах производства поликремния и слитков.
Производство ячеек — основной источник использования металлов
Этап производства ячеек — единственный, где использование металлических ресурсов становится доминирующим. Металлизация серебряной пастой составляет 53,0% от общего использования металлов в модуле и 98,3% использования металлов на этапе производства ячеек. Другие ключевые точки на этапе ячеек включают силан для осаждения поли-Si и PECVD, электроэнергию для отжига и выбросы НМЛОС 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 топливо, используемое в производстве стекла, медь и олово. Олово используется в относительно небольших количествах, но его вклад в показатели использования металлов все же заметен.
Транспортировка в основном осуществляется морским путем, но морские перевозки остаются относительно эффективными
Для поставок из Китая в Европу воздействие транспортировки в абсолютном выражении в основном определяется океанскими перевозками. Однако в пересчете на тонно-километр морские перевозки остаются гораздо более экологичными, чем автомобильные. Транспортировка особенно влияет на фотохимическое образование озона из-за углеводородного топлива и логистической инфраструктуры.
Рис.2 | Вклад ключевых этапов (пластина, ячейка, модуль, транспортировка) в шесть основных категорий 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. Учитываются как текущие структуры электрогенерации, так и будущие сценарии декарбонизации сетей. Технологические параметры, такие как эффективность, использование серебра, потребление поликремния и толщина пластин, улучшаются год от года в соответствии с предположениями ITRPV.
Рис.3 | Шесть основных категорий воздействия по регионам производства с 2023 по 2035 год. Сплошные линии — текущие сети; пунктирные — будущие декарбонизированные сети.
Несколько выводов выделяются.
| Вывод | Детали |
|---|---|
| Наивысший ПГП 2023 года | Индия, около 0,95 кг CO₂экв/Втп |
| Наинизший ПГП 2023 года | Европа, около 0,40 кг CO₂экв/Втп |
| Улучшение только за счет технологий | Среднее снижение ПГП примерно на 0,10 кг CO₂экв/Втп к 2035 году, если энергосистемы 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 энергосистемы |
| Парадокс использования металлов | Будущие низкоуглеродные энергосистемы могут немного увеличить воздействие, связанное с использованием металлов, поскольку сама инфраструктура возобновляемой энергии требует больше критически важных минералов |
Самый неожиданный результат — это парадокс использования металлов. Более чистая система электроснабжения снижает выбросы углерода, но инфраструктура возобновляемой энергетики может требовать больше дефицитных металлов. В EF v3.1 дефицитные металлы, такие как серебро и редкоземельные элементы, имеют высокие коэффициенты характеризации. При предположениях о будущих энергосистемах к 2035 году США становятся случаем с наибольшим использованием металлов, в то время как Европа остается наименьшим, поскольку ее сценарий энергосистемы имеет относительно меньшую долю фотоэлектрических систем.
Другими словами, декарбонизация улучшает климатический баланс, но может ухудшить баланс минеральных ресурсов, если система полагается 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 оно рассчитывает совокупное глобальное воздействие производства при различных сценариях регионального производства и энергосистем.
Рис.4 | Совокупное воздействие на изменение климата и использование металлов при глобальном развертывании PERC и TOPCon. Заштрихованные области указывают на различия между текущими и будущими сценариями энергосистем.
Ключевые результаты включают:
Совокупные выбросы от производства PERC и TOPCon до 2035 года могут достичь верхнего предела около 13,8 Гт CO₂экв.
Оптимизация места производства и декарбонизация электроэнергии могут снизить это на величину до 8,2 Гт CO₂экв.
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 дополнительно снизить совокупный потенциал глобального потепления на 49.5%.
Влияние использования металлов возрастает по мере декарбонизации энергосетей, при этом Европа показывает лучшие результаты, а США — худшие в рамках будущих сценариев.
Энергетическая выгода остается очень значительной. Модули, произведенные с 2023 по 2035 год, как ожидается, выработают около 94 602 ТВт·ч за первые 12 лет 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 энергосетей привело бы к выбросам в объеме от 27 до 67 Гт CO₂-экв. Даже при консервативных допущениях предотвращенные выбросы превышают 25 Гт CO₂-экв.
Рис.5 | Углеродоемкость жизненного цикла солнечных фотоэлектрических систем по сравнению с будущей углеродоемкостью региональных энергосетей.
Анализ чувствительности: структура энергосетей и технологические решения меняют результат
В исследовании проводится несколько тестов на чувствительность, чтобы определить, какие рычаги наиболее важны.
Углеродоемкость суб-сетей важнее, чем страна происхождения
Рис.6 | Диапазоны потенциала глобального потепления по суб-сетям в четырех регионах. Черные линии показывают среднюю сеть, используемую в основной модели.
Китай имеет самый широкий диапазон суб-сетей — от примерно 0,32 до 0,58 кг CO₂-экв/Вт-пик. Самая низкоуглеродная китайская суб-сеть близка к европейскому эталонному случаю. Это означает, что ярлыки «сделано в Китае» или «сделано в Европе» слишком общие для серьезного учета выбросов 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 — самый чувствительный входной параметр среди ископаемых видов топлива
Рис.7 | Влияние изменений на ±5% в долях отдельных видов топлива по 16 экологическим категориям.
Изменение доли угля на ±5% оказывает наиболее сильное влияние по девяти категориям, включая изменение потенциала глобального потепления на +4,8%. Ядерная энергетика сильно влияет на показатели ионизирующего излучения, но оказывает меньшее воздействие в других областях. Гидроэнергетика является единственным возобновляемым источником, который снижает все 16 категорий в этом тесте чувствительности, что позволяет предположить, что производство фотоэлектрических модулей на гидроэнергии может быть особенно благоприятным с точки зрения оценки жизненного цикла.
Четыре технических рычага определяют следующий этап устойчивости фотоэлектрических технологий
Рис.8 | Чувствительность к повышению эффективности, снижению содержания серебра до 5 мг/Вт, снижению энергопотребления при производстве пластин и снижению содержания силана.
| Рычаг | Влияние на PERC | Влияние на TOPCon | Основной эффект |
|---|---|---|---|
| Повышение эффективности | +12.6% | +15.9% | Пропорционально снижает все категории на ватт пиковой мощности |
| Снижение содержания серебра до 5 мг/Вт | -66,5% потенциала, связанного с серебром | -78,0% потенциала, связанного с серебром | Сокращает воздействие, связанное с использованием металлов, более чем на 41%; мало влияет на другие категории |
| Снижение энергопотребления при производстве пластин на 26% | Сильное снижение | Сильное снижение | Снижает потенциал глобального потепления, воздействие на твердые частицы, эвтрофикацию пресных вод и истощение ископаемых ресурсов более чем на 10% |
| Снижение содержания силана на 14,4% | Небольшое снижение | Небольшое снижение | Широкий, но умеренный экологический эффект |
Целевой показатель по серебру в размере 5 мг/Вт взят из порога устойчивости для мультитераваттной мощности, обсуждаемого Haegel и др. в журнале Science за 2023 год. Его достижение резко сократит воздействие, связанное с использованием металлов, но не решит проблемы выбросов углерода, твердых частиц или ископаемой энергии. Поэтому снижение использования серебра не является полной экологической историей.
Проверка неопределенности методом Монте-Карло подтверждает основной вывод
Рис.9 | Результаты доверительной оценки методом 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% достоверности, что подтверждает, что TOPCon с высокой вероятностью потребляет больше металлических ресурсов при базовых допущениях.
Отраслевые последствия: переход на TOPCon позитивен, но не автоматически устойчив
Полученные результаты приводят к нескольким практическим выводам для солнечной производственной отрасли.
Замена PERC на TOPCon в целом экологически позитивна, но серебро становится проблемой жизненного цикла, а не только проблемой стоимости. Поэтому технологии медного покрытия и стеков Ni/Cu/Ag являются не только вариантами снижения затрат; они также важны для снижения показателей использования металлических ресурсов.
Электроэнергия для пластин является крупнейшей климатической горячей точкой. Сокращение поликремния и выращивание кристаллов — ключевые процессы, за которыми стоит следить. Для соблюдения требований по углеродному следу место производства следует оценивать на уровне субсети, а не просто по стране.
Низкоуглеродная электроэнергия может создать минеральный компромисс. Декарбонизированная сеть снижает ПГП, но если расширение сети сильно зависит от металлоемких возобновляемых систем, показатели использования металлов могут возрасти.
Повышение эффективности — самый чистый рычаг для всех категорий. Более высокая эффективность модулей снижает площадь, материалы и потребность в энергии на Вт (пик) 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 видим переход на TOPCon как напоминание о том, что более высокая эффективность ячеек сама по себе недостаточна для определения по-настоящему устойчивого производственного маршрута. Наиболее важными решениями на уровне завода будут готовность процессов к снижению содержания серебра, выбор источника электроэнергии для пластин и стабильный контроль процессов, который может преобразовать повышение эффективности в реальную экономию материалов на Вт (пик). Для будущих линий модулей, особенно предназначенных для TOPCon или продуктов n-типа следующего поколения, экологические показатели будут все больше зависеть от того, насколько хорошо оборудование, материалы и энергетическая стратегия завода спроектированы вместе.
