Wprowadzenie: Dlaczego to badanie ma znaczenie teraz

Ten artykuł opiera się na artykule opublikowanym w Nature Communications online w lutym 2026 roku, „Maksymalizacja oszczędności środowiskowych z produkcji krzemowych ogniw fotowoltaicznych do 2035 roku” autorstwa Bethany L. Willis i in. Badanie to przedstawia jedną z bardziej kompletnych porównań cyklu życia między produkcją fotowoltaiczną PERC i TOPCon, rozszerzając analizę od dzisiejszych danych produkcyjnych do scenariuszy technologicznych i sieciowych z 2035 roku.

Do końca 2023 roku globalna zainstalowana moc fotowoltaiczna przekroczyła już 1 TWp. W długoterminowych scenariuszach dekarbonizacji liczba ta może osiągnąć około 80 TWp do 2050 roku. Ten wzrost jest niezbędny dla transformacji energetycznej, ale stwarza również obciążenie produkcyjne, które jest często niedoceniane. Wcześniejsze szacunki sugerowały, że sama produkcja fotowoltaiczna może zużywać do 11% pozostałego globalnego budżetu węglowego w scenariuszu 1,5 °C.

Czas jest ważny, ponieważ główny przemysł krzemowy szybko przechodzi z PERC do TOPCon. TOPCon oferuje wyższą wydajność, ale jego struktura ogniwa, domieszki, warstwy pasywacyjne i metalizacja różnią się znacząco od PERC. Kluczowe pytanie jest proste, ale trudne: czy wyższa wydajność zmniejsza wpływ na środowisko, czy też dodatkowa złożoność materiałowa i procesowa niweluje te korzyści?

Badanie wykorzystuje ocenę cyklu życia od wydobycia do bramy, obejmującą łańcuch od wydobycia kwarcu do produkcji płytek, ogniw, modułów i wysyłki do Europy Środkowej. Jednostką funkcjonalną jest 1 Wp, a ocena wpływu opiera się na metodzie EU EF v3.1 w 16 kategoriach. Założenia dotyczące rozwoju technologii opierają się na mapie drogowej ITRPV 2024, podczas gdy dekarbonizacja energii elektrycznej opiera się na scenariuszu niskich kosztów technologii zerowej emisji węgla EIA 2023. Regiony produkcyjne obejmują Chiny, Indie, Stany Zjednoczone i Europę, a do testowania niepewności zastosowano analizę Monte Carlo.

PERC vs TOPCon: Lepszy w 15 kategoriach, gorszy w jednej

W scenariuszu bazowym 2023 dla chińskiej produkcji i dostawy do Europy Środkowej, TOPCon wypada lepiej niż PERC w 15 out of 16 environmental impact categories w przeliczeniu na Wp. Jedyną kategorią, w której TOPCon wypada gorzej, jest wykorzystanie zasobów metali i minerałów.

Rys.1 | Znormalizowane porównanie sześciu głównych kategorii wpływu między PERC a TOPCon, z różnicami procentowymi.

Wzrost wpływu na zasoby metali o +15,2% jest w dużej mierze związany ze srebrem. W ogniwach PERC metalizacja tylnej strony wykorzystuje kombinację srebra i aluminium. W ogniwach TOPCon zarówno przednia, jak i tylna metalizacja w większym stopniu opierają się na paście srebrnej. W rezultacie, mimo że TOPCon wytwarza więcej energii na jednostkę powierzchni, jego zapotrzebowanie na srebro na Wp pozostaje krytycznym problemem środowiskowym.

To pierwsza warstwa paradoksu: TOPCon jest czystszy w większości kategorii cyklu życia, ale jego ślad metaliczny może być gorszy z powodu intensywnej metalizacji srebrem.

Analiza hotspotów: Energia elektryczna dominuje w emisji dwutlenku węgla, srebro dominuje w zużyciu metali

Badanie dzieli produkcję modułów TOPCon na cztery główne etapy: produkcję płytek, produkcję ogniw, montaż modułów oraz transport do Europy Środkowej. Wyniki pokazują, że różne kategorie środowiskowe są kontrolowane przez bardzo różne punkty krytyczne.

Produkcja płytek jest największym punktem krytycznym pod względem emisji dwutlenku węgla

Etap płytek dominuje w 12 z 16 kategorii wpływu. W sześciu kluczowych kategoriach wyróżnionych w artykule, zużycie energii elektrycznej związane z płytkami ma znaczący udział w:

Ponad 85% zapotrzebowania na energię elektryczną płytek pochodzi z redukcji polikrzemu oraz ciągnienia kryształów metodą Czochralskiego. W praktyce ślad węglowy modułu słonecznego jest silnie kształtowany przez miksturę energetyczną używaną w górnym biegu produkcji polikrzemu i wlewków.

Produkcja ogniw jest punktem krytycznym pod względem zużycia metali

Etap ogniw jest jedynym etapem, w którym zużycie zasobów metali staje się dominujące. Metalizacja pastą srebrną odpowiada za 53,0% całkowitego zużycia metali w module oraz 98,3% zużycia metali w etapie ogniw. Inne punkty krytyczne etapu ogniw obejmują silan do osadzania poli-Si i PECVD, energię elektryczną do wyżarzania oraz emisje NMVOC z czyszczenia rozpuszczalnikami.

Montaż modułów jest napędzany przez szkło, miedź i cynę

Etap modułu ma silny wkład w toksyczność dla ludzi i użytkowanie gruntów. Kluczowe materiały obejmują szkło przednie, sodę kalcynowaną, olej ciężki używany w produkcji szkła, miedź i cynę. Cyna jest używana w stosunkowo małych ilościach, ale jej wkład we wskaźniki zużycia metali jest nadal zauważalny.

Transport jest zdominowany przez żeglugę, ale transport morski jest nadal stosunkowo wydajny

W przypadku dostawy z Chin do Europy, wpływ transportu jest zdominowany przez żeglugę oceaniczną w wartościach bezwzględnych. Jednak na tonokilometr transport morski pozostaje znacznie czystszy niż transport drogowy. Transport przyczynia się szczególnie do fotochemicznego tworzenia ozonu z powodu paliw węglowodorowych i infrastruktury logistycznej.

Rys.2 | Udział punktów krytycznych etapów płytek, ogniw, modułów i transportu w sześciu głównych kategoriach wpływu.

Region produkcji i prognoza czasowa: Europa prowadzi, ale rok 2035 przynosi zwrot akcji

Następnie artykuł modeluje produkcję TOPCon w Chinach, Indiach, Stanach Zjednoczonych i Europie w latach 2023–2035. Uwzględnia zarówno obecne miksy energetyczne, jak i przyszłe scenariusze sieci zdekarbonizowanych. Parametry technologiczne, takie jak wydajność, zużycie srebra, zużycie polikrzemu i grubość wafla, poprawiają się z roku na rok zgodnie z założeniami ITRPV.

Rys.3 | Sześć głównych kategorii wpływu według regionu produkcji w latach 2023–2035. Linie ciągłe reprezentują obecne sieci; linie przerywane reprezentują przyszłe sieci zdekarbonizowane.

Kilka wyników wyróżnia się.

Najbardziej nieintuicyjnym wynikiem jest paradoks zużycia metali. Czystszy system elektroenergetyczny zmniejsza emisje dwutlenku węgla, ale infrastruktura energii odnawialnej może wymagać więcej rzadkich metali. W EF v3.1 rzadkie metale, takie jak srebro i pierwiastki ziem rzadkich, mają wysokie współczynniki charakterystyki. Przy założeniach przyszłych sieci, Stany Zjednoczone stają się przypadkiem o najwyższym zużyciu metali do 2035 r., podczas gdy Europa pozostaje najniższa, ponieważ jej scenariusz sieciowy ma stosunkowo mniejszy udział PV.

Innymi słowy, dekarbonizacja poprawia rachunek klimatyczny, ale może pogorszyć rachunek zasobów mineralnych, jeśli system opiera się na metalochłonnej infrastrukturze czystej energii.

Globalne wdrożenie do 2035 r.: Można uniknąć nawet 8,2 Gt CO₂eq

Korzystając z prognoz dostaw ITRPV, badanie zakłada, że PERC opuści rynek do 2034 r., a TOPCon stanie się dominującym następcą. Następnie oblicza skumulowany globalny wpływ produkcji w różnych scenariuszach regionalnej produkcji i sieci.

Rys.4 | Skumulowany wpływ zmiany klimatu i zużycia metali dla globalnego wdrożenia PERC i TOPCon. Zacienione obszary wskazują różnicę między obecnym a przyszłym scenariuszem sieci.

Kluczowe wyniki obejmują:

• Skumulowane emisje z produkcji PERC i TOPCon przed 2035 rokiem mogą osiągnąć górną granicę około 13,8 Gt CO₂eq.

• Optymalizacja lokalizacji produkcji i dekarbonizacja energii elektrycznej mogą zmniejszyć to nawet o 8,2 Gt CO₂eq.

• Oszczędność ta odpowiada około 13,9% globalnych antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych netto w 2019 roku.

• Przeniesienie produkcji z Chin do Europy w zakładanym przyszłym scenariuszu EIA mogłoby zmniejszyć skumulowany GWP o kolejne 49.5%.

• Wpływ zużycia metali wzrasta wraz z dekarbonizacją sieci, przy czym Europa wypada najlepiej, a Stany Zjednoczone najgorzej w przyszłych założeniach.

Korzyść energetyczna pozostaje bardzo silna. Moduły wyprodukowane w latach 2023–2035 mają wygenerować około 94 602 TWh w ciągu pierwszych 12 lat ich zakładanego 30-letniego okresu eksploatacji. Ich emisje produkcyjne szacuje się na około 2,26 Gt CO₂eq. Wyprodukowanie tej samej ilości energii elektrycznej przez przyszłe regionalne sieci wyemitowałoby od 27 do 67 Gt CO₂eq. Nawet przy konserwatywnych założeniach uniknięte emisje przekraczają 25 Gt CO₂eq.

Rys.5 | Emisyjność w cyklu życia ogniw fotowoltaicznych w porównaniu z przyszłą emisyjnością regionalnych sieci energetycznych.

Analiza wrażliwości: Miks energetyczny i wybór technologii zmieniają wynik

Badanie przeprowadza kilka testów wrażliwości, aby zidentyfikować, które dźwignie mają największe znaczenie.

Emisyjność podsieci ma większe znaczenie niż etykiety krajów

Rys.6 | Zakresy GWP dla podsieci w czterech regionach. Czarne linie pokazują średnią sieć referencyjną używaną w głównym modelu.

Chiny mają najszerszy zakres podsieci, od około 0,32 do 0,58 kg CO₂eq/Wp. Najniżej emisyjna chińska podsieć jest zbliżona do europejskiego przypadku referencyjnego. Oznacza to, że etykieta „made in China” lub „made in Europe” jest zbyt ogólna dla poważnego rachunku emisji dwutlenku węgla. Rzeczywiste podłączenie do sieci, lokalna umowa zakupu energii oraz bezpośredni dostęp do energii odnawialnej mogą decydować o tym, czy moduł spełnia niskoemisyjne progi, takie jak EPEAT Climate+.

Węgiel jest najbardziej wrażliwym paliwem kopalnym

Rys.7 | Wpływ ±5% zmian udziału poszczególnych paliw na 16 kategorii środowiskowych.

Zmiana udziału węgla o ±5% ma najsilniejszy wpływ na dziewięć kategorii, w tym +4,8% zmiana GWP. Energia jądrowa silnie wpływa na wskaźniki promieniowania jonizującego, ale ma mniejsze skutki w innych obszarach. Energia wodna jest jedynym odnawialnym źródłem, które redukuje wszystkie 16 kategorii w tym teście wrażliwości, co sugeruje, że produkcja PV zasilana energią wodną może być szczególnie korzystna z perspektywy LCA.

Cztery dźwignie techniczne definiują kolejny etap zrównoważonego rozwoju PV

Rys.8 | Wrażliwość na poprawę wydajności, redukcję srebra do 5 mg/W, redukcję zużycia energii elektrycznej w produkcji płytek oraz redukcję silanu.

Cel dotyczący srebra wynoszący 5 mg/W pochodzi z progu zrównoważonego rozwoju dla wielu terawatów omówionego przez Haegel i in. w Science 2023. Osiągnięcie go znacznie zmniejszyłoby wpływ zużycia metali, ale nie rozwiązuje problemów związanych z emisją dwutlenku węgla, pyłami czy paliwami kopalnymi. Dlatego główna redukcja zużycia srebra nie jest pełną historią środowiskową.

Kontrola niepewności Monte Carlo potwierdza główny wniosek

Rys.9 | Wyniki ufności Monte Carlo dla 16 kategorii wpływu na środowisko.

Po 10 000 przebiegów Monte Carlo, PERC wykazuje wyższy wpływ niż TOPCon w ponad 70% symulacji dla 11 z 16 kategorii. Dla zmiany klimatu poziom ufności wynosi 71.5%. Dla niszczenia warstwy ozonowej osiąga 98.7%. Zużycie metali porusza się w przeciwnym kierunku z 95,8% ufności, potwierdzając, że TOPCon bardzo prawdopodobnie zużywa więcej zasobów metali przy założeniach bazowych.

Implikacje dla przemysłu: Przejście na TOPCon jest pozytywne, ale nie automatycznie zrównoważone

Wyniki prowadzą do kilku praktycznych wniosków dla przemysłu produkcji paneli słonecznych.

• Zastąpienie PERC przez TOPCon jest ogólnie pozytywne dla środowiska, ale srebro staje się problemem cyklu życia, nie tylko kosztów. Technologie miedziowania i stosów Ni/Cu/Ag są zatem nie tylko opcjami redukcji kosztów; są również ważne dla zmniejszenia wskaźników zużycia zasobów metali.

• Energia elektryczna zużywana na produkcję wafli jest największym hotspotem klimatycznym. Redukcja polikrzemu i ciągnienie kryształów to kluczowe procesy do monitorowania. Dla zgodności z wymogami śladu węglowego, lokalizacja produkcji powinna być oceniana na poziomie podsieci, a nie tylko według kraju.

• Niskoemisyjna energia elektryczna może stworzyć kompromis mineralny. Zdekarbonizowana sieć obniża GWP, ale jeśli rozbudowa sieci w dużym stopniu opiera się na metalochłonnych systemach odnawialnych, wskaźniki zużycia metali mogą wzrosnąć.

• Poprawa wydajności jest najczystszym dźwignią we wszystkich kategoriach. Wyższa wydajność modułów zmniejsza zapotrzebowanie na powierzchnię, materiały i energię na Wp w całym łańcuchu wartości. TOPCon ma silniejszą dźwignię wydajności niż PERC, ale ta korzyść musi być chroniona poprzez zmniejszenie zużycia srebra.

Opinia Ooitech

Jako dostawca sprzętu ściśle współpracujący z liniami produkcyjnymi modułów słonecznych, postrzegamy przejście na TOPCon jako przypomnienie, że wyższa wydajność ogniw sama w sobie nie wystarczy, aby zdefiniować naprawdę zrównoważoną ścieżkę produkcji. Najważniejsze decyzje na poziomie fabryki będą dotyczyć gotowości procesu redukcji srebra, pozyskiwania energii elektrycznej po stronie wafla oraz stabilnej kontroli procesu, która może przełożyć wzrost wydajności na rzeczywiste oszczędności materiałowe w przeliczeniu na Wp. W przypadku przyszłych linii modułów, zwłaszcza zaprojektowanych dla TOPCon lub produktów typu n nowej generacji, wydajność środowiskowa będzie coraz bardziej zależeć od tego, jak dobrze sprzęt, materiały i strategia energetyczna fabryki są ze sobą zintegrowane.