TOPCon экологиялық парадоксы: Күмісті аз пайдалану металл тұтынуды 41%-ға азайта алады, бірақ толық LCA әңгімесі күрделірек
Кіріспе: Бұл Зерттеу Неге Қазір Маңызды
Бұл мақала 2026 жылғы ақпанда онлайн жарияланған Nature Communications мақаласына негізделген, “Maximising environmental savings from silicon photovoltaics manufacturing to 2035” Bethany L. Willis және т.б. Зерттеу PERC және TOPCon фотоэлектрлік өндірісі арасындағы неғұрлым толық өмірлік цикл салыстыруларының бірін ұсынады, талдауды бүгінгі өндіріс деректерінен 2035 жылғы технология және желі сценарийлеріне дейін кеңейтеді.
2023 жылдың соңына қарай жаһандық орнатылған күн PV қуаты 1 ТВтасып кетті. Ұзақ мерзімді декарбонизация сценарийлерінде бұл көрсеткіш 2050 жылға қарай шамамен 80 ТВтжетуі мүмкін. Бұл өсу энергетикалық ауысу үшін маңызды, бірақ ол жиі бағаланбайтын өндірістік жүктемені де тудырады. Алдыңғы бағалаулар PV өндірісінің өзі 1,5 °C жолы бойынша қалған жаһандық көміртегі бюджетінің 11% дейін тұтынуы мүмкін екенін көрсетті.
Уақыт маңызды, өйткені негізгі кристалды кремний индустриясы PERC бастап TOPConPERC-тен TOPCon-ға жылдам ауысуда. TOPCon жоғары тиімділікті ұсынады, бірақ оның элемент құрылымы, допанттар, пассивация қабаттары және металдандыру PERC-тен айтарлықтай ерекшеленеді. Негізгі сұрақ қарапайым, бірақ қиын: жоғары тиімділік экологиялық әсерді азайта ма, әлде қосымша материал және процесс күрделілігі пайданы жоққа шығара ма?
Зерттеу бесіктен қақпаға дейінгі өмірлік циклді бағалаудықолданады, ол кварц өндіруден бастап пластина, элемент, модуль өндірісі және Орталық Еуропаға жөнелтуге дейінгі тізбекті қамтиды. Функционалдық бірлік 1 Вт, ал әсерді бағалау 16 санат бойынша ЕО EF v3.1 әдісіне сәйкес жүргізіледі. Технологияны дамыту болжамдары ITRPV 2024 жол картасынанегізделген, ал электр энергиясын декарбонизациялау EIA 2023 төмен нөлдік көміртекті технология құны сценарийіне сәйкес келеді. Өндіріс аймақтарына Қытай, Үндістан, Америка Құрама Штаттары және Еуропа кіреді, белгісіздікті тексеру үшін Монте-Карло талдауы қолданылады.
PERC vs TOPCon: 15 санатта жақсы, біреуінде нашар
2023 жылғы базалық сценарий бойынша (Қытай өндірісі және Орталық Еуропаға жеткізу) TOPCon PERC-тен 16 қоршаған ортаға әсер ету санатының 15-інде бір Вт негізінде жақсырақ. TOPCon нашарлау болатын жалғыз санат - металл және минералды ресурстарды пайдалану.
| Әсер ету санаты | TOPCon vs PERC бір Вт үшін |
|---|---|
| Климаттың өзгеруі | -6.5% |
| Қатты бөлшектер | Төмен |
| Тұщы судың эвтрофикациясы | Төмен |
| Фотохимиялық озон түзілуі | Төмен |
| Қазбалы отын ресурстарының сарқылуы | Төмен |
| Металл және минералды ресурстардың сарқылуы | +15.2% |
1-сурет | PERC және TOPCon арасындағы алты негізгі әсер ету санатының пайыздық айырмашылықтарымен нормаланған салыстыру.
Металл ресурстарына әсердің +15,2% өсуі негізінен күміспен байланысты. PERC элементтерінде артқы жақ металдандыру күміс пен алюминий комбинациясын пайдаланады. TOPCon элементтерінде алдыңғы және артқы металдандыру күміс пастасына көбірек тәуелді. Нәтижесінде, TOPCon аудан бірлігіне көбірек қуат өндірсе де, оның бір Вт үшін күміс қажеттілігі маңызды экологиялық мәселе болып қала береді.
Бұл парадокстың бірінші қабаты: TOPCon көптеген өмірлік цикл санаттарында таза, бірақ оның металл ізі күміс қажеттілігіне байланысты нашар болуы мүмкін.
Ыстық нүктелерді талдау: Электр энергиясы көміртекті, күміс металды пайдалануды басым етеді
Зерттеу TOPCon модульдерін өндіруді төрт негізгі кезеңге бөледі: пластина өндірісі, элемент өндірісі, модуль құрастыру және Орталық Еуропаға тасымалдау. Нәтижелер әртүрлі экологиялық категориялар әртүрлі ыстық нүктелермен бақыланатынын көрсетеді.
Пластина өндірісі - ең үлкен көміртекті ыстық нүкте
Пластина кезеңі 16 әсер категориясының 12-сінде басым. Мақалада атап өтілген алты негізгі категорияда пластинаға қатысты электр энергиясын пайдалану келесіге айтарлықтай үлес қосады:
| Санат | Пластина электр энергиясын пайдалану үлесі |
|---|---|
| Қазбалы отын ресурстарының сарқылуы | 88.2% |
| Климаттың өзгеруі | 89.9% |
| Қатты бөлшектер | 93.5% |
Пластина электр энергиясына сұраныстың 85%-дан астамы поликремнийді азайту және Чохральский әдісімен кристалдарды өсірукезеңдерінен келеді. Практикалық тұрғыдан, күн модулінің көміртекті ізі поликремний мен слиток өндірісіндегі жоғары ағындағы электр энергиясының қоспасымен қатты анықталады.
Элемент өндірісі - металды пайдаланудың ыстық нүктесі
Элемент кезеңі - металл ресурстарын пайдалану басым болатын жалғыз кезең. Күміс пастасын металдандыру жалпы модуль металл пайдаланудың 53,0% және элемент кезеңіндегі металл пайдаланудың 98,3%құрайды. Басқа элемент кезеңіндегі ыстық нүктелерге поли-Si тұндыру және PECVD үшін силан, күйдіру электр энергиясы және еріткіш тазалаудан NMVOC шығарындылары жатады.
Модуль құрастыру шыны, мыс және қалайымен анықталады
Модуль кезеңі адамның уыттылығына және жерді пайдалануға қатты әсер етеді. Негізгі материалдарға алдыңғы шыны, сода күлі, шыны өндірісінде қолданылатын ауыр май, мыс және қалайы жатады. Қалайы салыстырмалы түрде аз мөлшерде қолданылады, бірақ оның металл пайдалану көрсеткіштеріне қосқан үлесі әлі де байқалады.
Тасымалдауда тасымалдау басым, бірақ теңіз жүк тасымалы салыстырмалы түрде тиімді
Қытайдан Еуропаға жеткізу үшін тасымалдау әсерлері абсолютті мәнде мұхиттық тасымалдаумен анықталады. Дегенмен, тонна-километрге шаққанда теңіз жүк тасымалы автомобиль тасымалынан әлдеқайда таза. Тасымалдау көмірсутекті отындар мен логистикалық инфрақұрылымға байланысты фотохимиялық озон түзілуіне ерекше ықпал етеді.
2-сурет | Пластина, элемент, модуль және тасымалдау кезеңдерінің алты негізгі әсер категориясы бойынша ыстық нүктелерге қосқан үлесі.
Өндіріс аймағы және уақыт проекциясы: Еуропа алда, бірақ 2035 жыл тосынсый әкеледі
Мақала 2023 жылдан 2035 жылға дейін Қытайда, Үндістанда, Америка Құрама Штаттарында және Еуропада TOPCon өндірісін модельдейді. Ол қазіргі электр қуаты қоспаларын да, болашақ көміртексіздендірілген желі сценарийлерін де қарастырады. Тиімділік, күміс пайдалану, поликремний тұтыну және пластина қалыңдығы сияқты технологиялық параметрлер ITRPV болжамдары бойынша жыл сайын жақсарады.
3-сурет | 2023 жылдан 2035 жылға дейін өндіріс аймағы бойынша алты негізгі әсер ету санаты. Тұтас сызықтар қазіргі желілерді; үзік сызықтар болашақ көміртексіздендірілген желілерді білдіреді.
Бірнеше нәтиже ерекше көзге түседі.
| Нәтиже | Мәліметтер |
|---|---|
| 2023 жылғы ең жоғары GWP | Үндістан, шамамен 0.95 кг CO₂экв/Вт |
| 2023 жылғы ең төмен GWP | Еуропа, шамамен 0.40 кг CO₂экв/Вт |
| Тек технологиялық жақсарту | Егер желілер өзгермесе, 2035 жылға қарай GWP орташа төмендеуі шамамен 0.10 кг CO₂экв/Вт |
| Қытайдың қатты бөлшектер нәтижесі | Қытай көмір өндірудің өзін-өзі тұтыну электр қуатына және желі инвентаризациясындағы қатты бөлшектер шығарындыларына байланысты Үндістанға қарағанда жоғары қатты бөлшектер әсерін көрсете алады |
| Металды пайдалану парадоксы | Болашақ төмен көміртекті желілер металды пайдалану әсерін сәл арттыруы мүмкін, себебі жаңартылатын энергия инфрақұрылымының өзі көбірек сыни минералдарды қажет етеді |
Ең күтпеген нәтиже - металды пайдалану парадоксы. Таза электр жүйесі көміртегі шығарындыларын азайтады, бірақ жаңартылатын энергия инфрақұрылымы көбірек сирек металдарды қажет етуі мүмкін. EF v3.1-де күміс және сирек жер элементтері сияқты сирек металдар жоғары сипаттама факторларына ие. Болашақ желі сценарийлері бойынша Америка Құрама Штаттары 2035 жылға қарай металды пайдалану бойынша ең жоғары көрсеткішке ие болады, ал Еуропа ең төмен болып қалады, себебі оның желі сценарийінде салыстырмалы түрде аз PV үлесі бар.
Басқаша айтқанда, көміртексіздендіру климаттық есепті жақсартады, бірақ жүйе металды көп қажет ететін таза энергия инфрақұрылымына сүйенсе, минералды ресурстар есебін нашарлатуы мүмкін.
2035 жылға дейінгі жаһандық орналастыру: 8.2 Гт CO₂экв дейін болдырмауға болады
ITRPV жөнелту болжамдарын пайдалана отырып, зерттеу PERC 2034 жылға қарай нарықтан шығады, ал TOPCon басым мұрагер болады деп болжайды. Содан кейін ол әртүрлі аймақтық өндіріс және желі сценарийлері бойынша жиынтық жаһандық өндіріс әсерлерін есептейді.
4-сурет | Жаһандық PERC және TOPCon орналастыру үшін климаттың өзгеруі мен металды пайдаланудың жиынтық әсері. Көлеңкеленген аймақтар қазіргі және болашақ желі сценарийлері арасындағы айырмашылықты көрсетеді.
Негізгі нәтижелерге мыналар кіреді:
2035 жылға дейінгі жиынтық PERC және TOPCon өндіріс шығарындылары шамамен жоғарғы шекке жетуі мүмкін: 13,8 Гт CO₂экв.
Өндіріс орнын оңтайландыру және электр энергиясын көміртексіздендіру мұны төмендетуі мүмкін: 8,2 Гт CO₂экв.
Бұл үнемдеу шамамен тең: 2019 жылғы жаһандық антропогендік таза парниктік газ шығарындыларының 13,9%-ына.
Өндірісті Қытайдан Еуропаға ауыстыру, болжамды EIA болашақ сценарийі бойынша, жиынтық GWP-ны тағы төмендетуі мүмкін: 49.5%.
Желілер көміртексізденген сайын металды пайдалану әсері артады, болашақ болжамдар бойынша Еуропа ең жақсы, ал Америка Құрама Штаттары ең нашар нәтиже көрсетеді.
Энергия пайдасы өте күшті болып қалады. 2023-2035 жылдары өндірілген модульдер шамамен өндіреді деп күтілуде: 94 602 ТВт·сағ өздерінің болжамды 30 жылдық қызмет ету мерзімінің алғашқы 12 жылында. Олардың өндірістік шығарындылары шамамен бағаланады: 2,26 Гт CO₂экв. Болашақ аймақтық желілермен бірдей электр энергиясын өндіру шығарындылары аралығында болады: 27-ден 67 Гт CO₂экв-ке дейін. Тіпті консервативті болжамдар бойынша да, болдырмаған шығарындылар асып түседі: 25 Гт CO₂экв.
5-сурет | Күн фотоэлектрлік өмірлік циклдің көміртектік қарқындылығы болашақ аймақтық желі электр энергиясының қарқындылығымен салыстырғанда.
Сезімталдық талдауы: Желі құрамы мен технология таңдауы нәтижені өзгертеді
Зерттеу қандай тұтқалардың маңыздырақ екенін анықтау үшін бірнеше сезімталдық сынақтарын жүргізеді.
Қосалқы желінің көміртектік қарқындылығы ел белгілерінен маңыздырақ
6-сурет | Төрт аймақтағы қосалқы желілер бойынша GWP диапазондары. Қара сызықтар негізгі модельде қолданылған орташа желілік эталонды көрсетеді.
Қытайдың қосалқы желі диапазоны ең кең, шамамен: 0,32-ден 0,58 кг CO₂экв/Вт-қа дейін. Ең төмен көміртекті қытайлық ішкі желі еуропалық эталондық жағдайға жақын. Бұл «Қытайда жасалған» немесе «Еуропада жасалған» деген белгі күрделі көміртекті есепке алу үшін тым кең екенін білдіреді. Нақты желіге қосылу, жергілікті электр энергиясын сатып алу келісімі және тікелей жаңартылатын электр энергиясына қол жеткізу модульдің EPEAT Climate+ сияқты төмен көміртекті шектерге сәйкес келетінін анықтай алады.
Көмір - ең сезімтал қазбалы отын кірісі
7-сурет | Жеке отын үлестерінің ±5% өзгеруінің 16 экологиялық санатқа әсері.
Көмір үлесінің ±5% өзгеруі тоғыз санат бойынша ең күшті әсер етеді, соның ішінде GWP-де +4,8% өзгеріс. Атом энергиясы иондаушы сәулелену көрсеткіштеріне қатты әсер етеді, бірақ басқа жерлерде аз әсер етеді. Гидроэнергия - бұл сезімталдық сынағында барлық 16 санатты төмендететін жалғыз жаңартылатын көз, бұл гидроэнергиямен жұмыс істейтін ФЭҚ өндірісі LCA тұрғысынан ерекше қолайлы болуы мүмкін екенін көрсетеді.
Төрт техникалық тұтқа ФЭҚ тұрақтылығының келесі кезеңін анықтайды
8-сурет | Тиімділікті арттыру, күмісті 5 мг/Вт-қа дейін азайту, пластина электр энергиясын азайту және силанды азайту сезімталдығы.
| Тұтқа | PERC әсері | TOPCon әсері | Негізгі әсер |
|---|---|---|---|
| Тиімділікті арттыру | +12.6% | +15.9% | Барлық санаттарды Вт-қа пропорционалды түрде азайтады |
| Күміс 5 мг/Вт-қа дейін азайтылды | Күміске қатысты әлеует -66,5% | Күміске қатысты әлеует -78,0% | Металды пайдалану әсерін 41%-дан астамға қысқартады; басқа санаттарға аз әсер етеді |
| Пластина электр энергиясы 26%-ға азайтылды | Күшті төмендеу | Күшті төмендеу | GWP, қатты бөлшектер, тұщы су эвтрофикациясы және қазбалы отынның сарқылуын 10%-дан астамға азайтады |
| Силан 14,4%-ға азайтылды | Шағын төмендеу | Шағын төмендеу | Кең, бірақ қарапайым экологиялық пайда |
Күміс мақсаты 5 мг/Вт Haegel және т.б. Science 2023 журналында талқылаған мульти-тераватт тұрақтылық шегінен алынған. Оған қол жеткізу металды пайдалану әсерін күрт төмендетеді, бірақ көміртегі, қатты бөлшектер немесе қазбалы энергия әсерлерін шешпейді. Сондықтан күмісті пайдаланудың айтарлықтай төмендеуі толық экологиялық оқиға емес.
Монте-Карло тәуекелділігін тексеру негізгі қорытындыны растайды
9-сурет | 16 қоршаған ортаға әсер ету санаты бойынша Монте-Карло сенімділік нәтижелері.
10 000 Монте-Карло жүгірісінен кейін PERC 16 санаттың 11-інде 70% - дан астам модельдеуде TOPCon-ға қарағанда жоғары әсер етеді. Климаттың өзгеруі үшін сенімділік деңгейі 71.5%. Озон қабатының бұзылуы үшін ол 98.7%жетеді. Металды пайдалану қарама-қарсы бағытта қозғалады 95.8% сенімділікпен, бұл TOPCon базалық болжамдар бойынша металл ресурстарын көбірек тұтынуы ықтимал екенін растайды.
Салалық салдары: TOPCon-ға көшу оң, бірақ автоматты түрде тұрақты емес
Нәтижелер күн энергиясын өндіру саласы үшін бірнеше практикалық қорытындыға әкеледі.
TOPCon-ның PERC-ті ауыстыруы жалпы экологиялық тұрғыдан оң, бірақ күміс өмірлік цикл мәселесіне айналады, тек құн мәселесі емес. Сондықтан мыс жалату және Ni/Cu/Ag стек технологиялары тек шығындарды азайту нұсқалары емес; олар металл ресурстарының көрсеткіштерін азайту үшін де маңызды.
Вафли электр энергиясы - климаттың ең үлкен ыстық нүктесі. Поликремнийді азайту және кристалды тарту - бақылауға алынатын негізгі процестер. Көміртегі ізіне сәйкестік үшін өндіріс орнын ел бойынша емес, ішкі желі деңгейінде бағалау керек.
Төмен көміртекті электр энергиясы минералдық сауда-саттықты тудыруы мүмкін. Көміртексіздендірілген желі GWP төмендетеді, бірақ егер желіні кеңейту металды көп қажет ететін жаңартылатын жүйелерге қатты тәуелді болса, металды пайдалану көрсеткіштері өсуі мүмкін.
Тиімділікті арттыру - барлық санаттар бойынша ең таза тетік. Модульдің жоғары тиімділігі бүкіл құн тізбегі бойынша ауданды, материалды және энергия қажеттілігін Wp үшін азайтады. TOPCon PERC-ке қарағанда тиімділікті арттыру мүмкіндігіне ие, бірақ бұл пайданы күміс тұтынуды азайту арқылы қорғау керек.
Ooitech көзқарасы
Күн модульдерін өндіру желілерімен тығыз жұмыс істейтін жабдық жеткізушісі ретінде біз TOPCon өтуін жоғары ұяшық тиімділігінің өзі шынымен тұрақты өндіріс жолын анықтау үшін жеткіліксіз екенін еске салу ретінде қарастырамыз. Ең маңызды зауыт деңгейіндегі шешімдер күмісті азайту процесінің дайындығы, пластина жағындағы электр энергиясын алу және тиімділік өсімін нақты бір Вт материалдық үнемдеуге айналдыра алатын тұрақты процесс бақылауы болады. Болашақ модуль желілері, әсіресе TOPCon немесе келесі буын n-типті өнімдерге арналғандары үшін экологиялық өнімділік жабдықтың, материалдардың және зауыттың энергия стратегиясының бірге қаншалықты жақсы жобаланғанына байланысты болады.
