مفارقة TOPCon البيئية: تقليل استخدام الفضة يمكن أن يخفض استهلاك المعادن بنسبة 41%، لكن قصة تقييم دورة الحياة الكاملة أكثر تعقيدًا

مقدمة: لماذا هذه الدراسة مهمة الآن

تستند هذه المقالة إلى ورقة بحثية نشرت في Nature Communications في فبراير 2026، "تعظيم التوفير البيئي من تصنيع السيليكون الكهروضوئي حتى 2035" بقلم Bethany L. Willis وآخرون. تقدم الدراسة واحدة من أكثر المقارنات اكتمالاً لدورة الحياة بين تصنيع PERC وTOPCon الكهروضوئي، وتمتد التحليل من بيانات الإنتاج الحالية إلى سيناريوهات التكنولوجيا والشبكة لعام 2035.

بحلول نهاية عام 2023، تجاوزت القدرة الشمسية الكهروضوئية المثبتة عالمياً بالفعل 1 تيراواط ذروي. في سيناريوهات إزالة الكربون طويلة الأجل، قد يصل هذا الرقم إلى حوالي 80 تيراواط ذروي بحلول 2050. هذا النمو ضروري لانتقال الطاقة، لكنه يخلق أيضاً عبئاً تصنيعياً غالباً ما يتم التقليل من شأنه. تشير التقديرات السابقة إلى أن تصنيع الخلايا الكهروضوئية نفسه قد يستهلك ما يصل إلى 11% من الميزانية الكربونية العالمية المتبقية ضمن مسار 1.5 درجة مئوية.

التوقيت مهم لأن صناعة السيليكون البلورية الرئيسية تنتقل بسرعة من PERC إلى TOPCon. يقدم TOPCon كفاءة أعلى، لكن بنية الخلية، والشوائب، وطبقات التخميل، والمعادن تختلف اختلافاً كبيراً عن PERC. السؤال الرئيسي بسيط لكنه صعب: هل تقلل الكفاءة الأعلى من الأثر البيئي، أم أن التعقيد الإضافي للمواد والعمليات يعوض المكسب؟

تستخدم الدراسة تقييم دورة الحياة من المهد إلى البوابة, تغطي السلسلة من تعدين الكوارتز إلى الرقاقة، والخلية، وتصنيع الوحدة، والشحن إلى أوروبا الوسطى. الوحدة الوظيفية هي 1 واط ذروي، ويتبع تقييم الأثر منهجية الاتحاد الأوروبي EF v3.1 عبر 16 فئة. تستند افتراضات تطور التكنولوجيا إلى خارطة طريق ITRPV 2024، بينما يتبع إزالة الكربون من الكهرباء سيناريو تكلفة التكنولوجيا منخفضة الكربون الصفري لعام 2023 الصادر عن EIA. تشمل مناطق التصنيع الصين والهند والولايات المتحدة وأوروبا، مع استخدام تحليل مونت كارلو لاختبار عدم اليقين.

PERC مقابل TOPCon: أفضل في 15 فئة، وأسوأ في فئة واحدة

في ظل السيناريو الأساسي لعام 2023 للتصنيع الصيني والتسليم إلى أوروبا الوسطى، يؤدي TOPCon أداءً أفضل من PERC في 15 من أصل 16 فئة من فئات الأثر البيئي على أساس كل واط ذروة. الفئة الوحيدة التي يكون فيها أداء TOPCon أسوأ هي استخدام الموارد المعدنية والمعدنية.

الشكل 1 | مقارنة طبيعية لست فئات أثر رئيسية بين PERC وTOPCon، مع نسب الاختلاف.

الزيادة بنسبة +15.2% في أثر الموارد المعدنية مرتبطة إلى حد كبير بالفضة. في خلايا PERC، يستخدم المعدنة الخلفية مزيجًا من الفضة والألومنيوم. في خلايا TOPCon، يعتمد كل من المعدنة الأمامية والخلفية بشكل أكبر على معجون الفضة. ونتيجة لذلك، حتى لو أنتج TOPCon طاقة أكبر لكل مساحة، فإن طلبه على الفضة لكل واط ذروة يظل مصدر قلق بيئي حاسم.

هذه هي الطبقة الأولى من المفارقة: TOPCon أنظف في معظم فئات دورة الحياة، لكن بصمته المعدنية يمكن أن تكون أسوأ بسبب المعدنة كثيفة الفضة.

تحليل النقاط الساخنة: الكهرباء تهيمن على الكربون، والفضة تهيمن على استخدام المعادن

تقسم الدراسة تصنيع وحدات TOPCon إلى أربع مراحل رئيسية: إنتاج الرقائق، وإنتاج الخلايا، وتجميع الوحدات، والنقل إلى أوروبا الوسطى. تظهر النتائج أن فئات بيئية مختلفة تتحكم فيها نقاط ساخنة مختلفة جدًا.

إنتاج الرقائق هو أكبر نقطة ساخنة للكربون

مرحلة الرقاقة تهيمن على 12 من أصل 16 فئة تأثير. في الفئات الست الرئيسية التي أبرزتها الورقة، يساهم استخدام الكهرباء المرتبط بالرقاقة بشكل كبير في:

أكثر من 85% من الطلب على كهرباء الرقاقة يأتي من اختزال البولي سيليكون و سحب البلورات بطريقة تشوخرالسكي. من الناحية العملية، تتشكل البصمة الكربونية للوح الشمسي بشكل كبير من مزيج الكهرباء المستخدم في مراحل البولي سيليكون والسبائك الأولية.

إنتاج الخلايا هو النقطة الساخنة لاستخدام المعادن

مرحلة الخلايا هي المرحلة الوحيدة التي يصبح فيها استخدام الموارد المعدنية مهيمنًا. تمثل معدنة معجون الفضة 53.0% من إجمالي استخدام المعادن في الوحدة و 98.3% من استخدام المعادن داخل مرحلة الخلايا. تشمل النقاط الساخنة الأخرى في مرحلة الخلايا السيلان لترسيب البولي سي وPECVD، وكهرباء التلدين، وانبعاثات NMVOC من تنظيف المذيبات.

تجميع الوحدات مدفوع بالزجاج والنحاس والقصدير

تساهم مرحلة الوحدة بشكل كبير في السمية البشرية واستخدام الأراضي. تشمل المواد الرئيسية الزجاج الأمامي، ورماد الصودا، والزيت الثقيل المستخدم في إنتاج الزجاج، والنحاس، والقصدير. يُستخدم القصدير بكميات صغيرة نسبيًا، لكن مساهمته في مؤشرات استخدام المعادن لا تزال ملحوظة.

يهيمن الشحن على النقل، لكن الشحن البحري لا يزال فعالًا نسبيًا

بالنسبة للتسليم من الصين إلى أوروبا، تهيمن الشحن البحري على تأثيرات النقل من حيث القيمة المطلقة. ومع ذلك، لكل طن-كيلومتر، يظل الشحن البحري أنظف بكثير من النقل البري. يساهم النقل بشكل خاص في تكوين الأوزون الكيميائي الضوئي بسبب الوقود الهيدروكربوني والبنية التحتية اللوجستية.

الشكل 2 | المساهمة الساخنة لمراحل الرقاقة والخلايا والوحدة والنقل عبر ست فئات تأثير رئيسية.

منطقة التصنيع والإسقاط الزمني: أوروبا تقود، لكن 2035 يجلب مفاجأة

تقوم الورقة بعد ذلك بنمذجة تصنيع TOPCon في الصين والهند والولايات المتحدة وأوروبا من 2023 إلى 2035. وتأخذ في الاعتبار كلاً من مزيج الكهرباء الحالي وسيناريوهات الشبكة المستقبلية منزوعة الكربون. تتحسن معلمات التكنولوجيا مثل الكفاءة واستخدام الفضة واستهلاك البولي سيليكون وسماكة الرقاقة سنة بعد سنة وفقًا لافتراضات ITRPV.

الشكل 3 | ست فئات تأثير رئيسية حسب منطقة التصنيع من 2023 إلى 2035. الخطوط الصلبة تمثل الشبكات الحالية؛ الخطوط المتقطعة تمثل الشبكات المستقبلية منزوعة الكربون.

تبرز عدة نتائج.

النتيجة الأكثر تناقضًا مع البديهة هي مفارقة استخدام المعادن. نظام الكهرباء الأنظف يقلل من انبعاثات الكربون، لكن البنية التحتية للطاقة المتجددة قد تتطلب معادن أكثر ندرة. في EF v3.1، تحمل المعادن النادرة مثل الفضة والعناصر الأرضية النادرة عوامل توصيف عالية. في ظل افتراضات الشبكة المستقبلية، تصبح الولايات المتحدة الحالة الأعلى استخدامًا للمعادن بحلول 2035، بينما تبقى أوروبا الأدنى لأن سيناريو شبكتها يحتوي على حصة أقل نسبيًا من الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

بمعنى آخر، إزالة الكربون تحسن الحساب المناخي ولكنها قد تزيد من سوء حساب الموارد المعدنية إذا اعتمد النظام على بنية تحتية للطاقة النظيفة كثيفة المعادن.

الانتشار العالمي حتى 2035: يمكن تجنب ما يصل إلى 8.2 جيجا طن CO₂eq

باستخدام توقعات شحنات ITRPV، تفترض الدراسة خروج PERC من السوق بحلول 2034 بينما يصبح TOPCon الخليفة المهيمن. ثم تحسب التأثيرات التصنيعية العالمية التراكمية في ظل سيناريوهات التصنيع الإقليمية والشبكات المختلفة.

الشكل 4 | التأثيرات التراكمية لتغير المناخ واستخدام المعادن للانتشار العالمي لـ PERC وTOPCon. تشير المناطق المظللة إلى الفرق بين سيناريوهات الشبكة الحالية والمستقبلية.

تشمل النتائج الرئيسية:

• يمكن أن تصل انبعاثات التصنيع التراكمية لـ PERC وTOPCon قبل 2035 إلى حد أقصى يبلغ حوالي 13.8 جيجا طن CO₂eq.

• يمكن أن يؤدي تحسين موقع التصنيع وإزالة الكربون من الكهرباء إلى تقليل هذا بنسبة تصل إلى 8.2 جيجا طن CO₂eq.

• هذا التوفير يعادل حوالي 13.9% of global anthropogenic net greenhouse gas emissions in 2019.

• Moving manufacturing from China to Europe under the assumed EIA future scenario could reduce cumulative GWP by another 49.5%.

• Metal-use impact increases as grids decarbonize, with Europe performing best and the United States worst under future assumptions.

The energy benefit remains very strong. Modules manufactured from 2023 to 2035 are expected to generate around 94,602 TWh over the first 12 years of their assumed 30-year lifetime. Their manufacturing emissions are estimated at around 2.26 Gt CO₂eq. Producing the same electricity with future regional grids would emit between 27 and 67 Gt CO₂eq. Even under conservative assumptions, the avoided emissions exceed 25 Gt CO₂eq.

Fig.5 | Solar PV life-cycle carbon intensity compared with future regional grid electricity intensity.

Sensitivity Analysis: Grid Mix and Technology Choices Change the Result

The study performs several sensitivity tests to identify which levers matter most.

Sub-grid carbon intensity matters more than country labels

Fig.6 | GWP ranges across sub-grids in four regions. Black lines show the average-grid reference used in the main model.

China has the widest sub-grid range, from about 0.32 to 0.58 kg CO₂eq/Wp. The lowest-carbon Chinese sub-grid is close to the European reference case. This means that the label “made in China” or “made in Europe” is too broad for serious carbon accounting. The actual grid connection, local power purchase agreement, and direct renewable electricity access can decide whether a module meets low-carbon thresholds such as EPEAT Climate+.

Coal is the most sensitive fossil fuel input

Fig.7 | Impact of ±5% changes in individual fuel shares across 16 environmental categories.

A ±5% change in coal share has the strongest effect across nine categories, including a +4.8% change in GWP. تؤثر الطاقة النووية بشدة على مؤشرات الإشعاع المؤين ولكن تأثيرها أقل في أماكن أخرى. الطاقة الكهرومائية هي المصدر المتجدد الوحيد الذي يقلل جميع الفئات الـ 16 في هذا الاختبار الحساسية، مما يشير إلى أن تصنيع الخلايا الكهروضوئية بالطاقة الكهرومائية يمكن أن يكون مفيدًا بشكل خاص من منظور تقييم دورة الحياة.

أربع رافعات تقنية تحدد المرحلة التالية من استدامة الخلايا الكهروضوئية

الشكل 8 | حساسية تحسين الكفاءة، تقليل الفضة إلى 5 ملغ/واط، تقليل كهرباء الرقاقة، وتقليل السيلان.

هدف الفضة البالغ 5 ملغ/واط يأتي من عتبة الاستدامة متعددة التيراواط التي ناقشها Haegel وآخرون في Science 2023. تحقيقه سيخفض تأثير استخدام المعادن بشكل حاد، لكنه لا يحل مشاكل الكربون أو الجسيمات أو الطاقة الأحفورية. لهذا السبب، فإن التخفيض الرئيسي في استخدام الفضة ليس القصة البيئية الكاملة.

فحص عدم اليقين بمونت كارلو يؤكد الاستنتاج الرئيسي

الشكل 9 | نتائج الثقة بمونت كارلو عبر 16 فئة تأثير بيئي.

بعد 10,000 عملية تشغيل لمونت كارلو، يُظهر PERC تأثيرًا أعلى من TOPCon في أكثر من 70% من المحاكاة لـ 11 من الفئات الـ 16. بالنسبة لتغير المناخ، مستوى الثقة هو 71.5%. بالنسبة لاستنزاف الأوزون، يصل إلى 98.7%. استخدام المعادن يتحرك في الاتجاه المعاكس مع ثقة 95.8%، مما يؤكد أن TOPCon من المرجح جدًا أن يستهلك موارد معدنية أكثر في ظل الافتراضات الأساسية.

الآثار الصناعية: التحول إلى تقنية TOPCon إيجابي، لكنه ليس مستدامًا تلقائيًا

تؤدي النتائج إلى عدة استنتاجات عملية لصناعة تصنيع الطاقة الشمسية.

• استبدال تقنية PERC بتقنية TOPCon إيجابي بيئيًا بشكل عام، لكن الفضة تصبح قضية دورة حياة، وليست مجرد قضية تكلفة. لذلك، فإن تقنيات الطلاء النحاسي وتقنيات التراص Ni/Cu/Ag ليست مجرد خيارات لخفض التكاليف؛ بل هي أيضًا مهمة لتقليل مؤشرات الموارد المعدنية.

• كهرباء الرقائق هي النقطة الأكثر حساسية مناخيًا، وتقليل البولي سيليكون وسحب البلورات هما العمليتان الأساسيتان اللتان يجب مراقبتهما. للامتثال للبصمة الكربونية، يجب تقييم موقع التصنيع على مستوى الشبكة الفرعية، وليس ببساطة حسب البلد.

• يمكن للكهرباء منخفضة الكربون أن تخلق مقايضة معدنية، فالشبكة منزوعة الكربون تقلل من إمكانية الاحتباس الحراري، لكن إذا كان توسع الشبكة يعتمد بشكل كبير على أنظمة الطاقة المتجددة كثيفة المعادن، فقد ترتفع مؤشرات استخدام المعادن.

• تحسين الكفاءة هو الرافعة الأنظف لجميع الفئات، فكفاءة الوحدات الأعلى تقلل من المساحة والمواد والطاقة المطلوبة لكل واط ذروة عبر سلسلة القيمة بأكملها. تتمتع تقنية TOPCon بقدرة أكبر على تحسين الكفاءة مقارنة بتقنية PERC، لكن يجب حماية هذه الفائدة من خلال تقليل استهلاك الفضة.

رؤية Ooitech

كمورد للمعدات يعمل بشكل وثيق مع خطوط تصنيع الوحدات الشمسية، نرى أن التحول إلى تقنية TOPCon هو تذكير بأن كفاءة الخلايا الأعلى وحدها ليست كافية لتحديد مسار إنتاج مستدام حقًا. أهم القرارات على مستوى المصنع ستكون الجاهزية لعمليات تقليل الفضة، ومصدر الكهرباء لصناعة الرقائق، والتحكم المستقر في العمليات الذي يمكنه تحويل مكاسب الكفاءة إلى وفورات حقيقية في المواد لكل واط ذروة. بالنسبة لخطوط الوحدات المستقبلية، خاصة تلك المصممة لتقنية TOPCon أو منتجات الجيل التالي من النوع n، سيعتمد الأداء البيئي بشكل متزايد على مدى جودة هندسة المعدات والمواد واستراتيجية طاقة المصنع معًا.