ความขัดแย้งทางสิ่งแวดล้อมของ TOPCon: การใช้เงินน้อยลงสามารถลดการใช้โลหะได้ 41% แต่เรื่องราว LCA เต็มรูปแบบซับซ้อนกว่า

บทนำ: เหตุใดการศึกษานี้จึงสำคัญในตอนนี้

บทความนี้อ้างอิงจากเอกสาร Nature Communications ที่เผยแพร่ออนไลน์ในเดือนกุมภาพันธ์ 2026 “การเพิ่มประโยชน์สูงสุดด้านสิ่งแวดล้อมจากการผลิตซิลิคอนโฟโตโวลตาอิกส์จนถึงปี 2035” โดย Bethany L. Willis และคณะ การศึกษานี้ให้การเปรียบเทียบวงจรชีวิตที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นระหว่างการผลิต PERC และ TOPCon โดยขยายการวิเคราะห์จากข้อมูลการผลิตในปัจจุบันไปจนถึงสถานการณ์เทคโนโลยีและโครงข่ายไฟฟ้าในปี 2035

ภายในสิ้นปี 2023 กำลังการผลิตติดตั้ง PV พลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลกเกินกว่า 1 TWpในสถานการณ์การลดคาร์บอนระยะยาว ตัวเลขดังกล่าวอาจสูงถึง 80 TWp ภายในปี 2050การเติบโตนี้จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนผ่านพลังงาน แต่ก็สร้างภาระการผลิตที่มักถูกประเมินต่ำเกินไป การประมาณการก่อนหน้านี้ชี้ให้เห็นว่าการผลิต PV เพียงอย่างเดียวอาจใช้ถึง 11% ของงบประมาณคาร์บอนทั่วโลกที่เหลืออยู่ ภายใต้เส้นทาง 1.5 °C

ช่วงเวลานี้สำคัญเพราะอุตสาหกรรมซิลิคอนผลึกหลักกำลังเปลี่ยนจาก PERC ถึง TOPConTOPCon ให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น แต่โครงสร้างเซลล์ สารเจือปน ชั้นพาสซีฟ และโลหะที่ใช้แตกต่างจาก PERC อย่างมีนัยสำคัญ คำถามสำคัญนั้นง่ายแต่ยาก: ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมหรือไม่ หรือความซับซ้อนของวัสดุและกระบวนการที่เพิ่มขึ้นจะหักล้างผลประโยชน์นั้น?

การศึกษานี้ใช้ การประเมินวัฏจักรชีวิตแบบ cradle-to-gateครอบคลุมห่วงโซ่ตั้งแต่การทำเหมืองควอตซ์ไปจนถึงการผลิตเวเฟอร์ เซลล์ โมดูล และการจัดส่งไปยังยุโรปกลาง หน่วยการทำงานคือ 1 Wpและการประเมินผลกระทบเป็นไปตามวิธี EU EF v3.1 ใน 16 หมวดหมู่ สมมติฐานการพัฒนาเทคโนโลยีอ้างอิงจาก แผนงาน ITRPV 2024ในขณะที่การลดคาร์บอนของไฟฟ้าอ้างอิงจากสถานการณ์ต้นทุนเทคโนโลยีคาร์บอนต่ำเป็นศูนย์ของ EIA 2023 ภูมิภาคการผลิต ได้แก่ จีน อินเดีย สหรัฐอเมริกา และยุโรป โดยใช้การวิเคราะห์มอนติคาร์โลเพื่อทดสอบความไม่แน่นอน

PERC vs TOPCon: ดีกว่าใน 15 หมวดหมู่ แย่กว่าในหนึ่งหมวด

ภายใต้สถานการณ์พื้นฐานปี 2023 ของการผลิตในจีนและการจัดส่งไปยังยุโรปกลาง TOPCon มีประสิทธิภาพดีกว่า PERC ใน 15 จาก 16 หมวดหมู่ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ต่อหน่วย Wp หมวดเดียวที่ TOPCon มีประสิทธิภาพแย่กว่าคือ การใช้ทรัพยากรโลหะและแร่ธาตุ.

รูปที่ 1 | การเปรียบเทียบแบบปกติของหมวดหมู่ผลกระทบหลัก 6 หมวดระหว่าง PERC และ TOPCon พร้อมเปอร์เซ็นต์ความแตกต่าง

การเพิ่มขึ้น +15.2% ในผลกระทบทรัพยากรโลหะส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับเงิน ในเซลล์ PERC การทำโลหะด้านหลังใช้ส่วนผสมของเงินและอลูมิเนียม ในเซลล์ TOPCon การทำโลหะทั้งด้านหน้าและด้านหลังพึ่งพาเงินเพสต์มากขึ้น ดังนั้น แม้ว่า TOPCon จะผลิตพลังงานต่อพื้นที่ได้มากกว่า แต่ความต้องการเงินต่อ Wp ยังคงเป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมที่สำคัญ

นี่คือชั้นแรกของความขัดแย้ง: TOPCon สะอาดกว่าในหมวดวัฏจักรชีวิตส่วนใหญ่ แต่รอยเท้าโลหะอาจแย่กว่าเนื่องจากการทำโลหะที่ใช้เงินมาก

การวิเคราะห์จุดร้อน: ไฟฟ้าครอบงำคาร์บอน เงินครอบงำการใช้โลหะ

การศึกษานี้แบ่งการผลิตโมดูล TOPCon ออกเป็นสี่ขั้นตอนหลัก: การผลิตเวเฟอร์ การผลิตเซลล์ การประกอบโมดูล และการขนส่งไปยังยุโรปกลาง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าหมวดหมู่สิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกันถูกควบคุมโดยจุดร้อนที่แตกต่างกันมาก

การผลิตเวเฟอร์เป็นจุดร้อนคาร์บอนที่ใหญ่ที่สุด

ขั้นตอนเวเฟอร์ครอบงำ 12 จาก 16 หมวดหมู่ผลกระทบ ในหกหมวดหมู่หลักที่เน้นโดยบทความ การใช้ไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับเวเฟอร์มีส่วนสำคัญต่อ:

มากกว่า 85% ของความต้องการไฟฟ้าของเวเฟอร์มาจาก การลดโพลีซิลิคอน และ การดึงผลึก Czochralski. ในทางปฏิบัติ รอยเท้าคาร์บอนของโมดูลแสงอาทิตย์ถูกกำหนดอย่างมากโดยส่วนผสมของไฟฟ้าที่ใช้ในต้นน้ำในการผลิตโพลีซิลิคอนและแท่งผลึก

การผลิตเซลล์เป็นจุดร้อนของการใช้โลหะ

ขั้นตอนเซลล์เป็นขั้นตอนเดียวที่การใช้ทรัพยากรโลหะกลายเป็นเด่น การใช้เงินในกระบวนการเมทัลไลเซชันคิดเป็น 53.0% ของการใช้โลหะทั้งหมดของโมดูล และ 98.3% ของการใช้โลหะภายในขั้นตอนเซลล์. จุดร้อนอื่นๆ ในขั้นตอนเซลล์ ได้แก่ ซิเลนสำหรับการสะสมโพลี-Si และ PECVD, ไฟฟ้าสำหรับการอบอ่อน, และการปล่อย NMVOC จากการทำความสะอาดด้วยตัวทำละลาย

การประกอบโมดูลขับเคลื่อนด้วยแก้ว ทองแดง และดีบุก

ขั้นตอนโมดูลมีส่วนสำคัญต่อความเป็นพิษต่อมนุษย์และการใช้ที่ดิน วัสดุสำคัญ ได้แก่ แก้วหน้า โซดาแอช น้ำมันหนักที่ใช้ในการผลิตแก้ว ทองแดง และดีบุก ดีบุกถูกใช้ในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย แต่การมีส่วนร่วมต่อตัวบ่งชี้การใช้โลหะยังคงสังเกตเห็นได้

การขนส่งถูกครอบงำโดยการขนส่งทางเรือ แต่การขนส่งทางทะเลยังคงมีประสิทธิภาพค่อนข้างมาก

สำหรับการจัดส่งจากจีนไปยุโรป ผลกระทบจากการขนส่งถูกครอบงำโดยการขนส่งทางทะเลในแง่สัมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ต่อตัน-กิโลเมตร การขนส่งทางทะเลยังคงสะอาดกว่าการขนส่งทางถนนมาก การขนส่งมีส่วนสำคัญต่อการก่อตัวของโอโซนในโฟโตเคมีคอลเนื่องจากเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนและโครงสร้างพื้นฐานด้านโลจิสติกส์

รูปที่ 2 | การมีส่วนร่วมของจุดร้อนของขั้นตอนเวเฟอร์ เซลล์ โมดูล และการขนส่งในหกหมวดหมู่ผลกระทบหลัก

ภูมิภาคการผลิตและการคาดการณ์เวลา: ยุโรปนำ แต่ปี 2035 นำมาซึ่งความพลิกผัน

จากนั้นเอกสารได้จำลองการผลิต TOPCon ในจีน อินเดีย สหรัฐอเมริกา และยุโรป ตั้งแต่ปี 2023 ถึง 2035 โดยพิจารณาทั้งส่วนผสมไฟฟ้าในปัจจุบันและสถานการณ์โครงข่ายไฟฟ้าที่ลดคาร์บอนในอนาคต พารามิเตอร์ทางเทคโนโลยี เช่น ประสิทธิภาพ การใช้เงิน การใช้โพลีซิลิคอน และความหนาของเวเฟอร์ จะดีขึ้นทุกปีตามสมมติฐานของ ITRPV

รูปที่ 3 | หมวดหมู่ผลกระทบหลัก 6 ประการ จำแนกตามภูมิภาคการผลิต ตั้งแต่ปี 2023 ถึง 2035 เส้นทึบแสดงถึงโครงข่ายไฟฟ้าปัจจุบัน เส้นประแสดงถึงโครงข่ายไฟฟ้าที่ลดคาร์บอนในอนาคต

มีข้อค้นพบหลายประการที่โดดเด่น

ผลลัพธ์ที่ขัดกับสัญชาตญาณมากที่สุดคือ ความขัดแย้งของการใช้โลหะระบบไฟฟ้าที่สะอาดขึ้นช่วยลดการปล่อยคาร์บอน แต่โครงสร้างพื้นฐานพลังงานหมุนเวียนอาจต้องการโลหะที่หายากมากขึ้น ใน EF v3.1 โลหะหายาก เช่น เงินและธาตุหายาก มีปัจจัยการแสดงลักษณะที่สูง ภายใต้สมมติฐานโครงข่ายไฟฟ้าในอนาคต สหรัฐอเมริกาจะกลายเป็นกรณีที่มีการใช้โลหะสูงที่สุดภายในปี 2035 ในขณะที่ยุโรปยังคงต่ำที่สุด เนื่องจากสถานการณ์โครงข่ายไฟฟ้ามีสัดส่วน PV ที่ค่อนข้างเล็ก

กล่าวอีกนัยหนึ่ง การลดคาร์บอนช่วยปรับปรุงบัญชีสภาพภูมิอากาศ แต่อาจทำให้บัญชีทรัพยากรแร่แย่ลง หากระบบพึ่งพาโครงสร้างพื้นฐานพลังงานสะอาดที่ใช้โลหะมาก

การติดตั้งทั่วโลกถึงปี 2035: สามารถหลีกเลี่ยง CO₂eq ได้สูงถึง 8.2 Gt

โดยใช้การคาดการณ์การจัดส่งของ ITRPV การศึกษาสมมติว่า PERC จะออกจากตลาดภายในปี 2034 ในขณะที่ TOPCon จะกลายเป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่นถัดไป จากนั้นจะคำนวณผลกระทบการผลิตทั่วโลกสะสมภายใต้สถานการณ์การผลิตในภูมิภาคและโครงข่ายไฟฟ้าที่แตกต่างกัน

รูปที่ 4 | ผลกระทบสะสมจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการใช้โลหะสำหรับการติดตั้ง PERC และ TOPCon ทั่วโลก พื้นที่แรเงาแสดงความแตกต่างระหว่างสถานการณ์โครงข่ายไฟฟ้าในปัจจุบันและอนาคต

ผลลัพธ์สำคัญได้แก่:

• การปล่อยมลพิษสะสมจากการผลิต PERC และ TOPCon ก่อนปี 2035 อาจถึงขีดจำกัดบนประมาณ 13.8 Gt CO₂eq.

• การปรับปรุงสถานที่ผลิตและการลดคาร์บอนของไฟฟ้าสามารถลดปริมาณนี้ได้ถึง 8.2 Gt CO₂eq.

• การประหยัดดังกล่าวเทียบเท่ากับประมาณ 13.9% ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิจากมนุษย์ทั่วโลกในปี 2019.

• การย้ายการผลิตจากจีนไปยุโรปภายใต้สถานการณ์ EIA ในอนาคตที่สมมติขึ้นสามารถลด GWP สะสมได้อีก 49.5%.

• ผลกระทบจากการใช้โลหะเพิ่มขึ้นเมื่อโครงข่ายไฟฟ้าลดคาร์บอน โดยยุโรปมีประสิทธิภาพดีที่สุดและสหรัฐอเมริกาแย่ที่สุดภายใต้สมมติฐานในอนาคต

ประโยชน์ด้านพลังงานยังคงแข็งแกร่งมาก โมดูลที่ผลิตตั้งแต่ปี 2023 ถึง 2035 คาดว่าจะผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 94,602 TWh ในช่วง 12 ปีแรกของอายุการใช้งานที่สมมติขึ้น 30 ปี การปล่อยมลพิษจากการผลิตประมาณ 2.26 Gt CO₂eqการผลิตไฟฟ้าปริมาณเท่ากันด้วยโครงข่ายไฟฟ้าในภูมิภาคในอนาคตจะปล่อยมลพิษระหว่าง 27 และ 67 Gt CO₂eqแม้ภายใต้สมมติฐานแบบอนุรักษ์นิยม การปล่อยมลพิษที่หลีกเลี่ยงได้มีมากกว่า 25 Gt CO₂eq.

รูปที่ 5 | ความเข้มข้นคาร์บอนตลอดอายุการใช้งานของโซลาร์ PV เทียบกับความเข้มข้นไฟฟ้าของโครงข่ายไฟฟ้าในภูมิภาคในอนาคต

การวิเคราะห์ความไว: ส่วนผสมของโครงข่ายไฟฟ้าและตัวเลือกเทคโนโลยีเปลี่ยนผลลัพธ์

การศึกษาทำการทดสอบความไวหลายครั้งเพื่อระบุว่าปัจจัยใดสำคัญที่สุด

ความเข้มข้นคาร์บอนของโครงข่ายย่อยสำคัญกว่าป้ายชื่อประเทศ

รูปที่ 6 | ช่วง GWP ทั่วโครงข่ายย่อยในสี่ภูมิภาค เส้นสีดำแสดงค่าเฉลี่ยของโครงข่ายอ้างอิงที่ใช้ในแบบจำลองหลัก

จีนมีช่วงโครงข่ายย่อยกว้างที่สุด ตั้งแต่ประมาณ 0.32 ถึง 0.58 kg CO₂eq/Wp. โครงข่ายไฟฟ้าย่อยของจีนที่มีคาร์บอนต่ำที่สุดใกล้เคียงกับกรณีอ้างอิงของยุโรป ซึ่งหมายความว่าฉลาก "ผลิตในจีน" หรือ "ผลิตในยุโรป" นั้นกว้างเกินไปสำหรับการบัญชีคาร์บอนที่จริงจัง การเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้าจริง สัญญาซื้อขายไฟฟ้าในท้องถิ่น และการเข้าถึงไฟฟ้าหมุนเวียนโดยตรงสามารถกำหนดได้ว่าโมดูลนั้นตรงตามเกณฑ์คาร์บอนต่ำ เช่น EPEAT Climate+ หรือไม่

ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิลที่มีความอ่อนไหวมากที่สุด

รูปที่ 7 | ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลง ±5% ในสัดส่วนเชื้อเพลิงแต่ละชนิดต่อหมวดหมู่สิ่งแวดล้อม 16 หมวด

การเปลี่ยนแปลง ±5% ในสัดส่วนถ่านหินมีผลกระทบมากที่สุดใน 9 หมวด รวมถึงการเปลี่ยนแปลง +4.8% ใน GWPพลังงานนิวเคลียร์ส่งผลกระทบอย่างมากต่อตัวบ่งชี้รังสีไอออไนซ์ แต่มีผลกระทบน้อยกว่าในด้านอื่นๆ พลังงานน้ำเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนเพียงแหล่งเดียวที่ลดทั้ง 16 หมวดในการทดสอบความอ่อนไหวนี้ ซึ่งชี้ให้เห็นว่าการผลิตแผงโซลาร์เซลล์ที่ใช้พลังงานน้ำอาจเป็นประโยชน์อย่างยิ่งจากมุมมองของ LCA

กลไกทางเทคนิคสี่ประการกำหนดขั้นตอนต่อไปของความยั่งยืนของแผงโซลาร์เซลล์

รูปที่ 8 | ความอ่อนไหวของการปรับปรุงประสิทธิภาพ การลดเงินเหลือ 5 มก./วัตต์ การลดการใช้ไฟฟ้าของเวเฟอร์ และการลดไซเลน

เป้าหมายเงินที่ 5 มก./วัตต์ มาจากเกณฑ์ความยั่งยืนระดับหลายเทราวัตต์ที่กล่าวถึงโดย Haegel et al. ใน Science 2023 การบรรลุเป้าหมายนี้จะลดผลกระทบจากการใช้โลหะลงอย่างมาก แต่ไม่ได้แก้ปัญหาคาร์บอน ฝุ่นละออง หรือผลกระทบจากเชื้อเพลิงฟอสซิล นั่นคือเหตุผลที่การลดการใช้เงินอย่างมีนัยสำคัญไม่ใช่เรื่องราวด้านสิ่งแวดล้อมทั้งหมด

การตรวจสอบความไม่แน่นอนแบบมอนติคาร์โลยืนยันข้อสรุปหลัก

รูปที่ 9 | ผลลัพธ์ความเชื่อมั่นแบบมอนติคาร์โลใน 16 หมวดหมู่ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

หลังจากรันมอนติคาร์โล 10,000 ครั้ง PERC แสดงผลกระทบสูงกว่า TOPCon ในมากกว่า 70% ของการจำลองสำหรับ 11 จาก 16 หมวดหมู่ สำหรับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ระดับความเชื่อมั่นคือ 71.5%สำหรับการลดลงของโอโซน ระดับความเชื่อมั่นถึง 98.7%การใช้โลหะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามด้วย ความเชื่อมั่น 95.8%ยืนยันว่า TOPCon มีแนวโน้มสูงมากที่จะใช้ทรัพยากรโลหะมากขึ้นภายใต้สมมติฐานพื้นฐาน

ผลกระทบต่ออุตสาหกรรม: การเปลี่ยนไปใช้ TOPCon เป็นบวก แต่ไม่ยั่งยืนโดยอัตโนมัติ

ผลการวิจัยนำไปสู่ข้อสรุปเชิงปฏิบัติหลายประการสำหรับอุตสาหกรรมการผลิตแผงโซลาร์เซลล์

• การแทนที่ PERC ด้วย TOPCon เป็นบวกต่อสิ่งแวดล้อมโดยรวมแต่เงินกลายเป็นปัญหาตลอดวงจรชีวิต ไม่ใช่แค่ปัญหาด้านต้นทุน เทคโนโลยีการชุบทองแดงและสแต็ก Ni/Cu/Ag จึงไม่ใช่แค่ทางเลือกในการลดต้นทุน แต่ยังสำคัญสำหรับการลดตัวบ่งชี้ทรัพยากรโลหะ

• ไฟฟ้าสำหรับเวเฟอร์เป็นจุดร้อนด้านสภาพอากาศที่ใหญ่ที่สุดการลดโพลีซิลิคอนและการดึงผลึกเป็นกระบวนการหลักที่ต้องติดตาม สำหรับการปฏิบัติตามรอยเท้าคาร์บอน ควรประเมินสถานที่ผลิตในระดับกริดย่อย ไม่ใช่แค่ตามประเทศ

• ไฟฟ้าคาร์บอนต่ำสามารถสร้างการแลกเปลี่ยนแร่ธาตุกริดที่ลดคาร์บอนช่วยลด GWP แต่หากการขยายกริดพึ่งพาระบบพลังงานหมุนเวียนที่ใช้โลหะมาก ตัวบ่งชี้การใช้โลหะอาจเพิ่มขึ้น

• การปรับปรุงประสิทธิภาพเป็นกลไกที่สะอาดที่สุดในทุกหมวดหมู่ประสิทธิภาพโมดูลที่สูงขึ้นช่วยลดพื้นที่ วัสดุ และความต้องการพลังงานต่อ Wp ตลอดห่วงโซ่คุณค่า TOPCon มีอานิสงส์ด้านประสิทธิภาพมากกว่า PERC แต่ประโยชน์นั้นต้องได้รับการปกป้องโดยการลดการใช้เงิน

มุมมองของ Ooitech

ในฐานะผู้จัดหาอุปกรณ์ที่ทำงานใกล้ชิดกับสายการผลิตแผงโซลาร์เซลล์ เราเห็นว่าการเปลี่ยนผ่านสู่ TOPCon เป็นเครื่องเตือนใจว่าประสิทธิภาพของเซลล์ที่สูงขึ้นเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะกำหนดเส้นทางการผลิตที่ยั่งยืนอย่างแท้จริง การตัดสินใจที่สำคัญที่สุดในระดับโรงงานจะเกี่ยวข้องกับความพร้อมของกระบวนการลดการใช้เงิน แหล่งที่มาของไฟฟ้าสำหรับเวเฟอร์ และการควบคุมกระบวนการที่เสถียรซึ่งสามารถเปลี่ยนประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นให้เป็นการประหยัดวัสดุต่อ Wp ได้จริง สำหรับสายการผลิตแผงในอนาคต โดยเฉพาะที่ออกแบบมาสำหรับ TOPCon หรือผลิตภัณฑ์ n-type รุ่นถัดไป ประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อมจะขึ้นอยู่กับการออกแบบร่วมกันของอุปกรณ์ วัสดุ และกลยุทธ์พลังงานของโรงงานมากขึ้น