مفارقة TOPCon البيئية: استخدام أقل للفضة يمكن أن يقلل استهلاك المعادن بنسبة 41%، لكن قصة تقييم دورة الحياة الكاملة أكثر تعقيدًا
مقدمة: لماذا هذه الدراسة مهمة الآن
تستند هذه المقالة إلى ورقة Nature Communications المنشورة على الإنترنت في فبراير 2026، “تعظيم التوفير البيئي من تصنيع السيليكون الكهروضوئي حتى عام 2035” بقلم Bethany L. Willis وآخرون. تقدم الدراسة واحدة من أكثر مقارنات دورة الحياة اكتمالاً بين تصنيع الخلايا الكهروضوئية PERC وTOPCon، وتمتد التحليل من بيانات الإنتاج الحالية إلى سيناريوهات التكنولوجيا والشبكة لعام 2035.
بحلول نهاية عام 2023، تجاوزت القدرة الشمسية الكهروضوئية المركبة عالميًا بالفعل 1 تيراواط ذروة. في سيناريوهات إزالة الكربون طويلة الأجل، قد يصل هذا الرقم إلى حوالي 80 تيراواط ذروة بحلول عام 2050. هذا النمو ضروري لتحول الطاقة، لكنه يخلق أيضًا عبئًا تصنيعيًا غالبًا ما يتم الاستهانة به. تشير التقديرات السابقة إلى أن تصنيع الخلايا الكهروضوئية نفسه قد يستهلك ما يصل إلى 11% من ميزانية الكربون العالمية المتبقية في إطار مسار 1.5 درجة مئوية.
التوقيت مهم لأن صناعة السيليكون البلوري السائدة تتحرك بسرعة من PERC إلى TOPCon. يوفر TOPCon كفاءة أعلى، لكن بنية خلاياه، والشوائب، وطبقات التخميل، والتعدين تختلف اختلافًا كبيرًا عن PERC. السؤال الرئيسي بسيط لكنه صعب: هل تقلل الكفاءة الأعلى من الأثر البيئي، أم أن تعقيد المواد والعمليات الإضافية يعوض المكسب؟
تستخدم الدراسة منهج تقييم دورة الحياة من المهد إلى البوابة، تغطي السلسلة من تعدين الكوارتز إلى تصنيع الرقائق والخلايا والوحدات، والشحن إلى أوروبا الوسطى. الوحدة الوظيفية هي 1 Wp، ويتبع تقييم الأثر طريقة EU EF v3.1 عبر 16 فئة. تستند افتراضات التطور التكنولوجي إلى خارطة طريق ITRPV 2024، بينما يتبع إزالة الكربون من الكهرباء سيناريو تكلفة التكنولوجيا المنخفضة الصفرية لعام 2023 من EIA. تشمل مناطق التصنيع الصين والهند والولايات المتحدة وأوروبا، مع استخدام تحليل مونت كارلو لاختبار عدم اليقين.
PERC مقابل TOPCon: أفضل في 15 فئة، أسوأ 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 تأثير بيئي على أساس لكل Wp. الفئة الوحيدة التي يكون فيها أداء TOPCon أسوأ هي استخدام الموارد المعدنية والمعدنية.
| فئة الأثر | TOPCon مقابل PERC لكل Wp |
|---|---|
| تغير المناخ | -6.5% |
| الجسيمات الدقيقة | أقل |
| التخثث في المياه العذبة | أقل |
| تكوين الأوزون الضوئي الكيميائي | أقل |
| استنزاف الموارد الأحفورية | أقل |
| استنزاف الموارد المعدنية والمعدنية | +15.2% |
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، تستخدم المعدنة على الجانب الخلفي مزيجًا من الفضة والألومنيوم. في خلايا TOPCon، تعتمد المعدنة على الجانبين الأمامي والخلفي بشكل أكبر على معجون الفضة. ونتيجة لذلك، على الرغم من أن TOPCon ينتج طاقة أكبر لكل مساحة، إلا أن طلبه على الفضة لكل Wp 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، إنتاج الخلايا، تجميع 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 الرقائق تهيمن على 12 من أصل 16 فئة تأثير. في الفئات الرئيسية الست التي أبرزتها الورقة، يساهم استخدام الكهرباء المرتبط بالرقائق بشكل كبير في:
| التصنيف | الحصة من استخدام الكهرباء للرقائق |
|---|---|
| استنزاف الموارد الأحفورية | 88.2% |
| تغير المناخ | 89.9% |
| الجسيمات الدقيقة | 93.5% |
أكثر من 85% من الطلب على الكهرباء للرقائق يأتي من تقليل البولي سيليكون و سحب بلورات تشوخرالسكي. من الناحية العملية، تتشكل البصمة الكربونية للوح الشمسي بشكل كبير من مزيج الكهرباء المستخدم في المراحل الأولية لإنتاج البولي سيليكون والسبائك.
إنتاج الخلايا هو النقطة الساخنة لاستخدام المعادن
مرحلة الخلايا هي المرحلة الوحيدة التي يصبح فيها استخدام الموارد المعدنية مهيمنًا. تمثل معجون الفضة المعدني 53.0% من إجمالي استخدام المعادن في الوحدة و 98.3% من استخدام المعادن في مرحلة الخلايا. تشمل النقاط الساخنة الأخرى في مرحلة الخلايا السيلان لترسيب البولي سي 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 فعالاً 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 الضوئي بسبب الوقود الهيدروكربوني والبنية التحتية اللوجستية.
الشكل 2 | مساهمة النقاط الساخنة لمراحل الرقائق والخلايا والوحدة والنقل عبر ست فئات تأثير رئيسية.
منطقة التصنيع والإسقاط الزمني: أوروبا تقود، لكن عام 2035 يجلب تطورًا
ثم تقوم الورقة 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 وسمك الرقاقة عاماً بعد عام وفقاً لافتراضات ITRPV.
الشكل 3 | ست فئات تأثير رئيسية حسب منطقة التصنيع من 2023 إلى 2035. تمثل الخطوط الصلبة الشبكات الحالية؛ وتمثل الخطوط المتقطعة الشبكات المستقبلية منزوعة الكربون.
تبرز عدة نتائج.
| النتيجة | التفاصيل |
|---|---|
| أعلى GWP في 2023 | الهند، حوالي 0.95 كجم CO₂eq/Wp |
| أدنى GWP في 2023 | أوروبا، حوالي 0.40 كجم CO₂eq/Wp |
| تحسين تكنولوجي فقط | متوسط انخفاض GWP بحوالي 0.10 كجم CO₂eq/Wp بحلول 2035 إذا لم تتغير الشبكات |
| نتيجة الجسيمات الدقيقة في الصين | يمكن للصين أن تظهر تأثير جسيمات أعلى من الهند بسبب استهلاك الكهرباء الذاتي لتعدين الفحم وانبعاثات الجسيمات في مخزون الشبكة |
| مفارقة استخدام المعادن | قد تزيد الشبكات المستقبلية منخفضة الكربون قليلاً من تأثيرات استخدام المعادن لأن البنية التحتية للطاقة المتجددة نفسها تتطلب المزيد من المعادن الحرجة |
النتيجة الأكثر تناقضاً هي مفارقة استخدام المعادن. نظام كهرباء أنظف يقلل 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 أعلى حالة استخدام للمعادن بحلول 2035، بينما تظل أوروبا الأدنى لأن سيناريو شبكتها يحتوي على حصة أصغر نسبياً من الطاقة الشمسية.
بمعنى آخر، إزالة الكربون تحسن الحساب المناخي ولكنها قد تزيد من حساب الموارد المعدنية إذا كان النظام يعتمد على بنية تحتية كثيفة المعادن للطاقة النظيفة.
النشر العالمي حتى 2035: يمكن تجنب ما يصل إلى 8.2 جيجا طن CO₂eq
باستخدام توقعات شحنات ITRPV، تفترض الدراسة أن PERC يخرج من السوق بحلول 2034 بينما يصبح TOPCon الخليفة المهيمن. ثم تحسب التأثيرات التراكمية للتصنيع العالمية تحت سيناريوهات التصنيع الإقليمية والشبكة المختلفة.
الشكل 4 | التأثيرات التراكمية لتغير المناخ واستخدام المعادن لنشر تقنيتي PERC وTOPCon عالميًا. تشير المناطق المظللة إلى الفرق بين سيناريوهات الشبكة الحالية والمستقبلية.
تشمل النتائج الرئيسية:
قد تصل الانبعاثات التراكمية لتصنيع PERC وTOPCon قبل عام 2035 إلى حد أقصى يبلغ حوالي 13.8 جيجا طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون.
يمكن أن يؤدي تحسين موقع التصنيع وإزالة الكربون من الكهرباء إلى تقليل هذا بنسبة تصل إلى 8.2 جيجا طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون.
هذا التوفير يعادل حوالي 13.9% من إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة البشرية المنشأ عالميًا في عام 2019.
نقل التصنيع من الصين إلى أوروبا في ظل سيناريو EIA المستقبلي المفترض يمكن أن يقلل من إجمالي الاحترار العالمي بمقدار 49.5%.
يزداد تأثير استخدام المعادن مع إزالة الكربون من الشبكات، حيث تحقق أوروبا أفضل أداء والولايات المتحدة الأسوأ في ظل الافتراضات المستقبلية.
تظل الفائدة الطاقية قوية جدًا. من المتوقع أن تولد الوحدات المصنعة من 2023 إلى 2035 حوالي 94,602 تيراواط ساعي على مدى أول 12 عامًا من عمرها الافتراضي البالغ 30 عامًا. تقدر انبعاثات تصنيعها بحوالي 2.26 جيجا طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون. إنتاج نفس الكهرباء باستخدام شبكات إقليمية مستقبلية سينبعث منه ما بين 27 و67 جيجا طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون. حتى في ظل الافتراضات المتحفظة، تتجاوز الانبعاثات التي تم تجنبها 25 جيجا طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون.
الشكل 5 | كثافة الكربون في دورة حياة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مقارنة بكثافة الكهرباء الإقليمية المستقبلية.
تحليل الحساسية: مزيج الشبكة وخيارات التكنولوجيا تغير النتيجة
تجري الدراسة عدة اختبارات حساسية لتحديد أي الروافع أكثر أهمية.
كثافة الكربون للشبكة الفرعية أكثر أهمية من تسميات الدول
الشكل 6 | نطاقات الاحترار العالمي عبر الشبكات الفرعية في أربع مناطق. الخطوط السوداء تظهر مرجع الشبكة المتوسطة المستخدم في النموذج الرئيسي.
الصين لديها أوسع نطاق للشبكة الفرعية، من حوالي 0.32 إلى 0.58 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/واط ذروة. إن أدنى شبكة فرعية صينية من حيث الكربون تقترب من الحالة المرجعية الأوروبية. وهذا يعني أن تسمية "صُنع في الصين" أو "صُنع في أوروبا" واسعة جدًا بالنسبة لمحاسبة الكربون الجادة. يمكن لاتصال الشبكة الفعلي، واتفاقية شراء الطاقة المحلية، والوصول المباشر إلى الكهرباء المتجددة أن يحدد ما إذا كانت الوحدة تلبي عتبات الكربون المنخفض مثل EPEAT Climate+.
الفحم هو أكثر مدخلات الوقود الأحفوري حساسية
الشكل 7 | تأثير تغييرات ±5% في حصص الوقود الفردية عبر 16 فئة بيئية.
تغيير ±5% في حصة الفحم له أقوى تأثير عبر تسع فئات، بما في ذلك تغيير +4.8% في GWP. تؤثر الطاقة النووية بشدة على مؤشرات الإشعاع المؤين ولكن لها تأثيرات أصغر في أماكن أخرى. الطاقة الكهرومائية هي المصدر المتجدد الوحيد الذي يقلل جميع الفئات الـ 16 في اختبار الحساسية هذا، مما يشير إلى أن تصنيع الخلايا الكهروضوئية بالطاقة الكهرومائية يمكن أن يكون مفيدًا بشكل خاص من منظور تقييم دورة الحياة.
أربعة روافع تقنية تحدد المرحلة التالية من استدامة الخلايا الكهروضوئية
الشكل 8 | حساسية تحسين الكفاءة، تقليل الفضة إلى 5 mg/W، تقليل كهرباء الرقاقة، وتقليل السيلان.
| الرافعة | تأثير PERC | تأثير TOPCon | التأثير الرئيسي |
|---|---|---|---|
| تحسين الكفاءة | +12.6% | +15.9% | يقلل جميع الفئات بشكل متناسب لكل Wp |
| تقليل الفضة إلى 5 mg/W | -66.5% من الإمكانات المرتبطة بالفضة | -78.0% من الإمكانات المرتبطة بالفضة | يقلل تأثير استخدام المعادن بأكثر من 41%؛ تأثير ضئيل على الفئات الأخرى |
| تقليل كهرباء الرقاقة بنسبة 26% | تقليل قوي | تقليل قوي | يقلل GWP والجسيمات الدقيقة والتخثث في المياه العذبة واستنزاف الوقود الأحفوري بأكثر من 10% |
| تقليل السيلان بنسبة 14.4% | تقليل صغير | تقليل صغير | فائدة بيئية واسعة ولكن متواضعة |
هدف الفضة البالغ 5 mg/W يأتي من عتبة الاستدامة متعددة التيراواط التي نوقشت بواسطة Haegel et al. في Science 2023. تحقيقه سيقلل بشكل حاد من تأثير استخدام المعادن، لكنه لا يحل تأثيرات الكربون أو الجسيمات أو الطاقة الأحفورية. لهذا السبب فإن التخفيض الرئيسي في استخدام الفضة ليس القصة البيئية الكاملة.
يؤكد فحص عدم اليقين بطريقة مونت كارلو الاستنتاج الرئيسي
الشكل 9 | نتائج ثقة مونت كارلو عبر 16 فئة تأثير بيئي.
بعد 10,000 تشغيل لمونت كارلو، يُظهر PERC تأثيرًا أعلى من TOPCon في أكثر من 70% من المحاكاة لـ 11 من أصل 16 فئة. بالنسبة لتغير المناخ، مستوى الثقة هو 71.5%. بالنسبة لاستنفاد 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 TOPCon إيجابي، لكنه ليس مستدامًا تلقائيًا
تؤدي النتائج إلى عدة استنتاجات عملية لصناعة تصنيع الطاقة الشمسية.
استبدال PERC بـ TOPCon إيجابي بيئيًا بشكل عام، لكن الفضة تصبح مشكلة دورة حياة، وليست مجرد مشكلة تكلفة. لذلك، فإن تقنيات طلاء النحاس وتراص Ni/Cu/Ag ليست مجرد خيارات لخفض التكلفة؛ بل هي مهمة أيضًا لتقليل مؤشرات الموارد المعدنية.
كهرباء الرقاقة هي أكبر نقطة ساخنة للمناخ. تقليل البولي سيليكون والسحب البلوري هما العمليتان الأساسيتان للمراقبة. للامتثال لبصمة الكربون، يجب تقييم موقع التصنيع على مستوى الشبكة الفرعية، وليس ببساطة حسب البلد.
الكهرباء منخفضة الكربون يمكن أن تخلق مقايضة معدنية. شبكة منزوعة الكربون تخفض GWP، لكن إذا كان توسع الشبكة يعتمد بشكل كبير على أنظمة الطاقة المتجددة كثيفة المعادن، فقد ترتفع مؤشرات استخدام المعادن.
تحسين الكفاءة هو الرافعة الأنظف عبر جميع الفئات. كفاءة الوحدة الأعلى تقلل من المساحة والمواد واستهلاك الطاقة لكل واط ذروة عبر سلسلة القيمة بأكملها. يتمتع TOPCon بقدرة كفاءة أقوى من PERC، لكن يجب حماية هذه الفائدة عن طريق تقليل استهلاك الفضة.
رؤية Ooitech
كمورد للمعدات يعمل بشكل وثيق مع خطوط تصنيع الألواح الشمسية، نرى أن التحول إلى تقنية TOPCon هو تذكير بأن كفاءة الخلية الأعلى وحدها لا تكفي لتحديد مسار إنتاج مستدام حقًا. أهم القرارات على مستوى المصنع ستكون الجاهزية لعمليات تقليل الفضة، ومصادر الكهرباء على مستوى الرقاقة، والتحكم المستقر في العملية الذي يمكنه تحويل مكاسب الكفاءة إلى وفورات حقيقية في المواد لكل واط-ذروة. بالنسبة لخطوط الألواح المستقبلية، خاصة تلك المصممة لمنتجات TOPCon أو الجيل التالي من النوع n، سيعتمد الأداء البيئي بشكل متزايد على مدى تكامل المعدات والمواد واستراتيجية الطاقة في المصنع معًا.
