پارادوکس زیست‌محیطی TOPCon: مصرف کمتر نقره می‌تواند

پاسخ سریع: TOPCon یک پارادوکس زیست‌محیطی را ارائه می‌دهد: در تقریباً همه معیارهای اثر به‌جز نقره، از PERC بهتر عمل می‌کند. مطالعه‌ای که در Nature Communications منتشر شد نشان داد که اگرچه مصرف کمتر نقره در هر وات TOPCon ردپای کلی آن را بهبود می‌بخشد، نقره باقی‌مانده سهمی به‌طور نامتناسب بزرگ از اثر را حمل می‌کند — استخراج و پالایش نقره سهمی از کل را تشکیل می‌دهد که بسیار بالاتر از کسر جرمی آن است. ارقام دخیل در محدوده سهم اثر ۶.۵٪ تا ۱۵.۲٪ از ماده‌ای قرار دارند که بخش کوچکی از سلول را از نظر وزنی تشکیل می‌دهد. به همین دلیل کاهش نقره در هر سلول هم به‌عنوان یک اهرم هزینه و هم یک اهرم زیست‌محیطی تلقی می‌شود. پیامد عملی برای یک تولیدکننده این است که تصمیمات طراحی متالیزاسیون — عرض انگشت، تعداد باسبار، فرمولاسیون خمیر — اکنون علاوه بر استدلال کارایی، یک استدلال زیست‌محیطی نیز دارند.

تولید ماژول PV · توسط جری، Ooitech

مقدمه: چرا این مطالعه اکنون اهمیت دارد

این مقاله بر اساس مقاله Nature Communications منتشر شده آنلاین در فوریه ۲۰۲۶ است، «به حداکثر رساندن صرفه‌جویی زیست‌محیطی از تولید فتوولتائیک سیلیکونی تا سال ۲۰۳۵» توسط Bethany L. Willis و همکاران. این مطالعه یکی از کامل‌ترین مقایسه‌های چرخه عمر بین PERC و TOPCon تولید فتوولتائیک را ارائه می‌دهد و تحلیل را از داده‌های تولید امروزی به سناریوهای فناوری و شبکه در سال 2035 گسترش می‌دهد.

تا پایان سال ۲۰۲۳، ظرفیت نصب شده جهانی PV خورشیدی از ۱ TWpفراتر رفته بود. در سناریوهای بلندمدت کربن‌زدایی، این عدد می‌تواند به حدود ۸۰ TWp تا سال ۲۰۵۰برسد. این رشد برای انتقال انرژی ضروری است، اما همچنین باری تولیدی ایجاد می‌کند که اغلب دست‌کم گرفته می‌شود. تخمین‌های قبلی نشان می‌داد که تولید PV به تنهایی می‌تواند تا ۱۱٪ از بودجه باقی‌مانده کربن جهانی تحت سناریوی ۱.۵ درجه سانتی‌گراد را مصرف کند.

زمان‌بندی مهم است زیرا صنعت اصلی سیلیکون کریستالی به سرعت از PERC تا TOPCon. TOPCon بازده بالاتری ارائه می‌دهد، اما ساختار سلول، دوپانت‌ها، لایه‌های غیرفعال‌سازی و متالیزاسیون آن تفاوت قابل توجهی با PERC دارد. سوال کلیدی ساده اما دشوار است: آیا بازده بالاتر اثر زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد یا مواد اضافی و پیچیدگی فرآیند این مزیت را خنثی می‌کند؟

این مطالعه از یک ارزیابی چرخه حیات از گهواره تا دروازه، شامل زنجیره از استخراج کوارتز تا تولید ویفر، سلول، ماژول و حمل به اروپای مرکزی است. واحد عملکردی 1 وات پیکاست و ارزیابی تأثیر از روش EU EF v3.1 در 16 دسته پیروی می‌کند. مفروضات توسعه فناوری بر اساس نقشه راه ITRPV 2024است، در حالی که کربن‌زدایی برق از سناریوی هزینه پایین فناوری صفر کربن EIA 2023 پیروی می‌کند. مناطق تولید شامل چین، هند، ایالات متحده و اروپا است و از تحلیل مونت کارلو برای آزمون عدم قطعیت استفاده شده است.

PERC در مقابل TOPCon: برتری در 15 دسته، ضعف در یک دسته

تحت سناریوی پایه 2023 تولید چین و حمل به اروپای مرکزی، TOPCon در 15 از 16 دسته تأثیر زیست‌محیطی بر اساس هر وات پیک عملکرد بهتری نسبت به PERC دارد. تنها دسته‌ای که TOPCon در آن عملکرد بدتری دارد استفاده از منابع فلزی و معدنی.

شکل 1 | مقایسه نرمال‌شده شش دسته تأثیر اصلی بین PERC و TOPCon با درصد تفاوت.

افزایش 15.2+ درصدی تأثیر منابع فلزی عمدتاً به نقره مرتبط است. در سلول‌های PERC، متالیزاسیون پشتی از ترکیب نقره و آلومینیوم استفاده می‌کند. در سلول‌های TOPCon، متالیزاسیون جلو و عقب بیشتر به خمیر نقره وابسته است. در نتیجه، حتی اگر TOPCon توان بیشتری در واحد سطح تولید کند، تقاضای نقره آن به ازای هر وات پیک یک نگرانی زیست‌محیطی بحرانی باقی می‌ماند.

این اولین لایه پارادوکس است: TOPCon در بیشتر دسته‌های چرخه حیات پاک‌تر است، اما ردپای فلزی آن به دلیل متالیزاسیون نقره‌فشرده می‌تواند بدتر باشد.

تحلیل نقاط داغ: برق بر کربن غالب است، نقره بر مصرف فلز غالب است

این مطالعه تولید ماژول TOPCon را به چهار مرحله اصلی تقسیم می‌کند: تولید ویفر، تولید سلول، مونتاژ ماژول و حمل و نقل به اروپای مرکزی. نتایج نشان می‌دهد که دسته‌های مختلف زیست‌محیطی توسط نقاط داغ بسیار متفاوتی کنترل می‌شوند.

تولید ویفر بزرگترین نقطه داغ کربن است

مرحله ویفر بر 12 دسته از 16 دسته تأثیر غالب است. در شش دسته کلیدی که توسط مقاله برجسته شده است، مصرف برق مرتبط با ویفر سهم زیادی در موارد زیر دارد:

بیش از 85٪ از تقاضای برق ویفر از کاهش پلی‌سیلیکون و کشش کریستال چوکرالسکیناشی می‌شود. به عبارت عملی، ردپای کربن یک ماژول خورشیدی به شدت تحت تأثیر ترکیب برق مصرفی در بالادست در تولید پلی‌سیلیکون و شمش است.

تولید سلول نقطه داغ مصرف فلز است

مرحله سلول تنها مرحله‌ای است که مصرف منابع فلزی در آن غالب می‌شود. متالیزاسیون خمیر نقره 53.0٪ از کل مصرف فلز ماژول و 98.3٪ از مصرف فلز در مرحله سلولرا تشکیل می‌دهد. سایر نقاط داغ مرحله سلول شامل سیلان برای رسوب پلی-Si و PECVD، برق آنیلینگ و انتشار NMVOC از تمیز کردن حلال است.

مونتاژ ماژول توسط شیشه، مس و قلع هدایت می‌شود

مرحله ماژول به شدت به سمیت انسانی و کاربری زمین کمک می‌کند. مواد کلیدی شامل شیشه جلو، خاکستر سودا، نفت سنگین مورد استفاده در تولید شیشه، مس و قلع است. قلع در مقادیر نسبتاً کمی استفاده می‌شود، اما سهم آن در شاخص‌های مصرف فلز همچنان قابل توجه است.

حمل و نقل تحت سلطه کشتیرانی است، اما حمل و نقل دریایی هنوز نسبتاً کارآمد است

برای تحویل از چین به اروپا، تأثیرات حمل و نقل به طور مطلق تحت سلطه کشتیرانی اقیانوسی است. با این حال، به ازای هر تن-کیلومتر، حمل و نقل دریایی بسیار پاک‌تر از حمل و نقل جاده‌ای است. حمل و نقل به ویژه به دلیل سوخت‌های هیدروکربنی و زیرساخت‌های لجستیکی به تشکیل ازن فتوشیمیایی کمک می‌کند.

شکل 2 | سهم نقطه داغ مراحل ویفر، سلول، ماژول و حمل و نقل در شش دسته تأثیر اصلی.

منطقه تولید و پیش‌بینی زمان: اروپا پیشتاز است، اما 2035 پیچیدگی به همراه دارد

این مقاله سپس تولید TOPCon را در چین، هند، ایالات متحده و اروپا از سال 2023 تا 2035 مدل‌سازی می‌کند. این مقاله هم ترکیب فعلی برق و هم سناریوهای شبکه‌های کربن‌زدایی شده آینده را در نظر می‌گیرد. پارامترهای فناوری مانند بازده، مصرف نقره، مصرف پلی‌سیلیکون و ضخامت ویفر سال به سال بر اساس مفروضات ITRPV بهبود می‌یابند.

شکل 3 | شش دسته تأثیر عمده بر اساس منطقه تولید از سال 2023 تا 2035. خطوط جامد نشان‌دهنده شبکه‌های فعلی؛ خطوط چین نشان‌دهنده شبکه‌های کربن‌زدایی شده آینده هستند.

چندین یافته قابل توجه هستند.

غیرمنتظره‌ترین نتیجه، پارادوکس مصرف فلزاست. یک سیستم برق پاک‌تر انتشار کربن را کاهش می‌دهد، اما زیرساخت برق تجدیدپذیر می‌تواند به فلزات کمیاب بیشتری نیاز داشته باشد. در EF v3.1، فلزات کمیاب مانند نقره و عناصر خاکی کمیاب دارای ضرایب مشخصه‌سازی بالایی هستند. تحت مفروضات شبکه آینده، ایالات متحده تا سال 2035 به بالاترین مورد مصرف فلز تبدیل می‌شود، در حالی که اروپا پایین‌ترین باقی می‌ماند زیرا سناریوی شبکه آن سهم نسبتاً کمتری از PV دارد.

به عبارت دیگر، کربن‌زدایی حساب آب و هوایی را بهبود می‌بخشد اما می‌تواند حساب منابع معدنی را بدتر کند اگر سیستم به زیرساخت انرژی پاک فلز-بردار متکی باشد.

استقرار جهانی تا سال 2035: تا 8.2 گیگاتن CO₂eq قابل اجتناب است

با استفاده از پیش‌بینی‌های حمل و نقل ITRPV، این مطالعه فرض می‌کند که PERC تا سال 2034 از بازار خارج می‌شود در حالی که TOPCon جانشین غالب می‌شود. سپس تأثیرات تجمعی تولید جهانی را تحت سناریوهای مختلف تولید منطقه‌ای و شبکه محاسبه می‌کند.

شکل 4 | اثرات تجمعی تغییرات اقلیمی و مصرف فلزات برای استقرار جهانی PERC و TOPCon. مناطق سایه‌دار تفاوت بین سناریوهای شبکه فعلی و آینده را نشان می‌دهد.

نتایج کلیدی عبارتند از:

• انتشار تجمعی تولید PERC و TOPCon قبل از سال 2035 می‌تواند به حد بالایی حدود 13.8 گیگاتن CO₂eq.

• بهینه‌سازی مکان تولید و کربن‌زدایی از برق می‌تواند این مقدار را تا 8.2 گیگاتن CO₂eq.

• این صرفه‌جویی معادل حدود 13.9٪ از انتشار خالص گازهای گلخانه‌ای انسانی جهانی در سال 2019.

• انتقال تولید از چین به اروپا تحت سناریوی آینده EIA فرضی می‌تواند GWP تجمعی را تا 49.5%.

• اثر مصرف فلزات با کربن‌زدایی شبکه‌ها افزایش می‌یابد، با بهترین عملکرد اروپا و بدترین عملکرد ایالات متحده تحت فرضیات آینده.

مزیت انرژی همچنان بسیار قوی است. ماژول‌های تولید شده از 2023 تا 2035 انتظار می‌رود حدود 94,602 تراوات ساعت در 12 سال اول از عمر 30 ساله فرضی خود تولید کنند. انتشار تولید آنها حدود 2.26 گیگاتن CO₂eqتخمین زده می‌شود. تولید همان برق با شبکه‌های منطقه‌ای آینده بین 27 تا 67 گیگاتن CO₂eqمنتشر می‌کند. حتی تحت فرضیات محافظه‌کارانه، انتشارات جلوگیری شده بیش از 25 گیگاتن CO₂eq.

شکل 5 | شدت کربن چرخه حیات خورشیدی PV در مقایسه با شدت برق شبکه منطقه‌ای آینده.

تحلیل حساسیت: ترکیب شبکه و انتخاب فناوری نتیجه را تغییر می‌دهد

این مطالعه چندین آزمایش حساسیت برای شناسایی مهم‌ترین اهرم‌ها انجام می‌دهد.

شدت کربن زیرشبکه بیشتر از برچسب کشور اهمیت دارد

شکل 6 | محدوده GWP در زیرشبکه‌های چهار منطقه. خطوط سیاه مرجع شبکه متوسط استفاده شده در مدل اصلی را نشان می‌دهد.

چین دارای گسترده‌ترین محدوده زیرشبکه، از حدود 0.32 تا 0.58 kg CO₂eq/Wp. کم‌کربن‌ترین زیرشبکه چین به حالت مرجع اروپا نزدیک است. این بدان معناست که برچسب "ساخت چین" یا "ساخت اروپا" برای حسابداری کربن جدی بسیار کلی است. اتصال واقعی به شبکه، قرارداد خرید برق محلی و دسترسی مستقیم به برق تجدیدپذیر می‌تواند تعیین کند که آیا یک ماژول آستانه‌های کم‌کربن مانند EPEAT Climate+ را برآورده می‌کند یا خیر.

زغال‌سنگ حساس‌ترین ورودی سوخت فسیلی است

شکل ۷ | تأثیر تغییرات ۵± درصدی در سهم سوخت‌های منفرد در ۱۶ دسته زیست‌محیطی.

تغییر ۵± درصدی در سهم زغال‌سنگ قوی‌ترین اثر را در نه دسته دارد، از جمله یک تغییر ۴.۸+ درصدی در GWP. انرژی هسته‌ای به شدت بر شاخص‌های تشعشع یونیزان تأثیر می‌گذارد اما اثرات کوچک‌تری در جاهای دیگر دارد. برق آبی تنها منبع تجدیدپذیری است که هر ۱۶ دسته را در این آزمون حساسیت کاهش می‌دهد، که نشان می‌دهد تولید فتوولتائیک با نیروی برق آبی می‌تواند از دیدگاه LCA به ویژه مطلوب باشد.

چهار اهرم فنی مرحله بعدی پایداری PV را تعریف می‌کنند

شکل ۸ | حساسیت بهبود بازدهی، کاهش نقره به ۵ میلی‌گرم بر وات، کاهش برق ویفر و کاهش سیلان.

هدف نقره ۵ میلی‌گرم بر وات از آستانه پایداری چند تراواتی است که توسط Haegel و همکاران در Science 2023 بحث شده است. دستیابی به آن تأثیر مصرف فلز را به شدت کاهش می‌دهد، اما مشکل کربن، ذرات معلق یا انرژی فسیلی را حل نمی‌کند. به همین دلیل است که کاهش سرخط در مصرف نقره، داستان کامل زیست‌محیطی نیست.

بررسی عدم قطعیت مونت کارلو نتیجه اصلی را تأیید می‌کند

شکل 9 | نتایج اطمینان مونت کارلو در 16 دسته تأثیر زیست‌محیطی.

پس از 10,000 اجرای مونت کارلو، PERC در بیش از 70% شبیه‌سازی‌ها برای 11 دسته از 16 دسته، تأثیر بیشتری نسبت به TOPCon نشان می‌دهد. برای تغییرات اقلیمی، سطح اطمینان 71.5%است. برای تخریب لایه ازن، به 98.7%می‌رسد. مصرف فلزات در جهت مخالف حرکت می‌کند با 95.8% اطمینان، تأیید می‌کند که TOPCon به احتمال زیاد تحت فرضیات پایه، منابع فلزی بیشتری مصرف می‌کند.

پیامدهای صنعتی: انتقال به TOPCon مثبت است، اما به طور خودکار پایدار نیست

یافته‌ها به چند نتیجه عملی برای صنعت تولید خورشیدی منجر می‌شود.

• جایگزینی PERC با TOPCon از نظر زیست‌محیطی به طور کلی مثبت است، اما نقره به یک مسئله چرخه عمر تبدیل می‌شود، نه فقط یک مسئله هزینه. بنابراین، فناوری‌های آبکاری مس و انباشت Ni/Cu/Ag نه تنها گزینه‌های کاهش هزینه هستند، بلکه برای کاهش شاخص‌های منابع فلزی نیز مهم هستند.

• برق ویفر بزرگترین نقطه داغ اقلیمی است. کاهش پلی‌سیلیکون و کشش کریستال فرآیندهای اصلی برای نظارت هستند. برای انطباق با ردپای کربن، مکان تولید باید در سطح زیرشبکه ارزیابی شود، نه صرفاً بر اساس کشور.

• برق کم‌کربن می‌تواند یک مبادله معدنی ایجاد کند. یک شبکه کربن‌زدایی شده GWP را کاهش می‌دهد، اما اگر گسترش شبکه به شدت به سیستم‌های تجدیدپذیر فلز-فشرده وابسته باشد، شاخص‌های مصرف فلزات ممکن است افزایش یابد.

• بهبود بازده تمیزترین اهرم در همه دسته‌ها است. بازده بالاتر ماژول، مساحت، مواد و تقاضای انرژی به ازای هر وات پیک را در کل زنجیره ارزش کاهش می‌دهد. TOPCon اهرم بازده قوی‌تری نسبت به PERC دارد، اما این مزیت باید با کاهش مصرف نقره محافظت شود.

دیدگاه Ooitech

به عنوان یک تامین‌کننده تجهیزات که از نزدیک با خطوط تولید ماژول‌های خورشیدی همکاری می‌کند، ما گذار به TOPCon را یادآوری می‌بینیم که بازدهی بالاتر سلول به تنهایی برای تعریف یک مسیر تولید واقعاً پایدار کافی نیست. مهم‌ترین تصمیمات در سطح کارخانه شامل آمادگی فرآیند کاهش مصرف نقره، تأمین برق در سطح ویفر و کنترل پایدار فرآیند خواهد بود که می‌تواند افزایش بازدهی را به صرفه‌جویی واقعی در مواد در هر وات پیک تبدیل کند. برای خطوط ماژول آینده، به ویژه آن‌هایی که برای TOPCon یا محصولات نسل بعدی نوع n طراحی شده‌اند، عملکرد زیست‌محیطی به طور فزاینده‌ای به نحوه مهندسی هماهنگ تجهیزات، مواد و استراتژی انرژی کارخانه بستگی خواهد داشت.