Giới thiệu: Tại sao nghiên cứu này lại quan trọng ngay bây giờ

Bài viết này dựa trên bài báo trên Nature Communications được xuất bản trực tuyến vào tháng 2 năm 2026, “Tối đa hóa lợi ích môi trường từ sản xuất quang điện silicon đến năm 2035” của Bethany L. Willis và cộng sự. Nghiên cứu cung cấp một trong những so sánh vòng đời đầy đủ hơn giữa sản xuất quang điện PERC và TOPCon, mở rộng phân tích từ dữ liệu sản xuất hiện tại đến các kịch bản công nghệ và lưới điện năm 2035.

Đến cuối năm 2023, công suất PV năng lượng mặt trời lắp đặt toàn cầu đã vượt quá 1 TWp. Trong các kịch bản khử cacbon dài hạn, con số đó có thể đạt khoảng 80 TWp vào năm 2050. Sự tăng trưởng này rất cần thiết cho quá trình chuyển đổi năng lượng, nhưng nó cũng tạo ra gánh nặng sản xuất thường bị đánh giá thấp. Các ước tính trước đây cho thấy bản thân việc sản xuất PV có thể tiêu thụ tới 11% ngân sách carbon toàn cầu còn lại theo lộ trình 1,5 °C.

Thời điểm rất quan trọng vì ngành công nghiệp silicon tinh thể chính thống đang chuyển đổi nhanh chóng từ PERC đến TOPCon. TOPCon mang lại hiệu suất cao hơn, nhưng cấu trúc tế bào, chất pha tạp, lớp thụ động và quá trình kim loại hóa của nó khác biệt đáng kể so với PERC. Câu hỏi chính rất đơn giản nhưng khó: liệu hiệu suất cao hơn có làm giảm tác động môi trường hay không, hay vật liệu bổ sung và độ phức tạp của quy trình sẽ bù đắp lợi ích?

Nghiên cứu sử dụng phương pháp đánh giá vòng đời từ khai thác đến cổng nhà máy, bao gồm chuỗi từ khai thác thạch anh đến sản xuất wafer, cell, module và vận chuyển đến Trung Âu. Đơn vị chức năng là 1 Wp, và đánh giá tác động tuân theo phương pháp EU EF v3.1 trên 16 hạng mục. Các giả định về phát triển công nghệ dựa trên lộ trình ITRPV 2024, trong khi khử cacbon điện năng theo kịch bản chi phí công nghệ không cacbon thấp của EIA 2023. Các khu vực sản xuất bao gồm Trung Quốc, Ấn Độ, Hoa Kỳ và Châu Âu, với phân tích Monte Carlo được sử dụng để kiểm tra độ không chắc chắn.

PERC vs TOPCon: Tốt hơn ở 15 Hạng mục, Kém hơn ở Một

Theo kịch bản cơ sở năm 2023 của sản xuất Trung Quốc và giao hàng đến Trung Âu, TOPCon hoạt động tốt hơn PERC ở 15 trên 16 hạng mục tác động môi trường trên cơ sở mỗi Wp. Hạng mục duy nhất TOPCon kém hơn là sử dụng tài nguyên kim loại và khoáng sản.

Hình 1 | So sánh chuẩn hóa sáu hạng mục tác động chính giữa PERC và TOPCon, với chênh lệch phần trăm.

Mức tăng +15,2% tác động tài nguyên kim loại phần lớn liên quan đến bạc. Trong cell PERC, kim loại hóa mặt sau sử dụng kết hợp bạc và nhôm. Trong cell TOPCon, cả kim loại hóa mặt trước và mặt sau phụ thuộc nhiều hơn vào bột bạc. Do đó, mặc dù TOPCon tạo ra nhiều năng lượng hơn trên mỗi diện tích, nhu cầu bạc trên mỗi Wp vẫn là một vấn đề môi trường quan trọng.

Đây là lớp đầu tiên của nghịch lý: TOPCon sạch hơn trong hầu hết các hạng mục vòng đời, nhưng dấu chân kim loại của nó có thể tồi tệ hơn do kim loại hóa sử dụng nhiều bạc.

Phân tích điểm nóng: Điện chiếm ưu thế về cacbon, Bạc chiếm ưu thế về sử dụng kim loại

Nghiên cứu chia quy trình sản xuất module TOPCon thành bốn giai đoạn chính: sản xuất wafer, sản xuất cell, lắp ráp module và vận chuyển đến Trung Âu. Kết quả cho thấy các hạng mục môi trường khác nhau bị chi phối bởi các điểm nóng rất khác nhau.

Sản xuất wafer là điểm nóng carbon lớn nhất

Giai đoạn wafer chiếm ưu thế trong 12 trên 16 hạng mục tác động. Trong sáu hạng mục chính được bài báo nêu bật, điện năng sử dụng liên quan đến wafer đóng góp nhiều vào:

Hơn 85% nhu cầu điện năng wafer đến từ khử polysilicon và kéo tinh thể Czochralski. Về mặt thực tế, dấu chân carbon của một module năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hỗn hợp điện được sử dụng ở thượng nguồn trong sản xuất polysilicon và ingot.

Sản xuất cell là điểm nóng sử dụng kim loại

Giai đoạn cell là giai đoạn duy nhất mà việc sử dụng tài nguyên kim loại trở nên chiếm ưu thế. Quá trình kim loại hóa bằng bạc paste chiếm 53,0% tổng lượng kim loại sử dụng trong module và 98,3% lượng kim loại sử dụng trong giai đoạn cell. Các điểm nóng khác trong giai đoạn cell bao gồm silane cho lắng đọng poly-Si và PECVD, điện năng ủ, và phát thải NMVOC từ quá trình làm sạch bằng dung môi.

Lắp ráp module được thúc đẩy bởi kính, đồng và thiếc

Giai đoạn module đóng góp mạnh vào độc tính đối với con người và sử dụng đất. Các vật liệu chính bao gồm kính mặt trước, soda ash, dầu nặng sử dụng trong sản xuất kính, đồng và thiếc. Thiếc được sử dụng với số lượng tương đối nhỏ, nhưng đóng góp của nó vào các chỉ số sử dụng kim loại vẫn đáng chú ý.

Vận chuyển bị chi phối bởi vận tải biển, nhưng vận tải đường biển vẫn tương đối hiệu quả

Đối với giao hàng từ Trung Quốc đến châu Âu, các tác động vận chuyển bị chi phối bởi vận tải biển về mặt tuyệt đối. Tuy nhiên, trên mỗi tấn-km, vận tải biển vẫn sạch hơn nhiều so với vận tải đường bộ. Vận chuyển đóng góp đặc biệt vào sự hình thành ozone quang hóa do nhiên liệu hydrocarbon và cơ sở hạ tầng hậu cần.

Hình 2 | Đóng góp điểm nóng của các giai đoạn wafer, cell, module và vận chuyển trên sáu hạng mục tác động chính.

Khu vực sản xuất và dự báo thời gian: Châu Âu dẫn đầu, nhưng năm 2035 mang đến một bước ngoặt

Bài báo sau đó mô hình hóa sản xuất TOPCon tại Trung Quốc, Ấn Độ, Hoa Kỳ và Châu Âu từ năm 2023 đến 2035. Nó xem xét cả hỗn hợp điện hiện tại và các kịch bản lưới điện phi carbon hóa trong tương lai. Các thông số công nghệ như hiệu suất, sử dụng bạc, tiêu thụ polysilicon và độ dày wafer được cải thiện hàng năm theo các giả định của ITRPV.

Hình 3 | Sáu hạng mục tác động chính theo khu vực sản xuất từ năm 2023 đến 2035. Đường liền nét biểu thị lưới điện hiện tại; đường đứt nét biểu thị lưới điện phi carbon hóa trong tương lai.

Một số phát hiện nổi bật.

Kết quả phản trực giác nhất là nghịch lý sử dụng kim loại. Một hệ thống điện sạch hơn giảm phát thải carbon, nhưng cơ sở hạ tầng điện tái tạo có thể đòi hỏi nhiều kim loại khan hiếm hơn. Trong EF v3.1, các kim loại khan hiếm như bạc và đất hiếm mang hệ số đặc trưng cao. Với các giả định lưới điện tương lai, Hoa Kỳ trở thành trường hợp sử dụng kim loại cao nhất vào năm 2035, trong khi Châu Âu vẫn là thấp nhất vì kịch bản lưới điện của nó có tỷ trọng PV tương đối nhỏ hơn.

Nói cách khác, phi carbon hóa cải thiện tài khoản khí hậu nhưng có thể làm xấu đi tài khoản tài nguyên khoáng sản nếu hệ thống phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng năng lượng sạch sử dụng nhiều kim loại.

Triển khai toàn cầu đến năm 2035: Có thể tránh được tới 8,2 Gt CO₂eq

Sử dụng dự báo vận chuyển của ITRPV, nghiên cứu giả định PERC rời khỏi thị trường vào năm 2034 trong khi TOPCon trở thành công nghệ kế thừa thống trị. Sau đó, nó tính toán các tác động sản xuất toàn cầu tích lũy theo các kịch bản sản xuất khu vực và lưới điện khác nhau.

Hình 4 | Tác động tích lũy của biến đổi khí hậu và sử dụng kim loại đối với triển khai PERC và TOPCon toàn cầu. Các vùng tô màu chỉ ra sự khác biệt giữa kịch bản lưới điện hiện tại và tương lai.

Các kết quả chính bao gồm:

• Lượng phát thải sản xuất PERC và TOPCon tích lũy trước năm 2035 có thể đạt giới hạn trên khoảng 13,8 Gt CO₂eq.

• Tối ưu hóa vị trí sản xuất và khử cacbon trong điện có thể giảm lượng này tới 8,2 Gt CO₂eq.

• Khoản tiết kiệm đó tương đương khoảng 13,9% tổng lượng phát thải khí nhà kính nhân tạo toàn cầu năm 2019.

• Di chuyển sản xuất từ Trung Quốc sang châu Âu theo kịch bản tương lai EIA giả định có thể giảm GWP tích lũy thêm 49.5%.

• Tác động sử dụng kim loại tăng lên khi lưới điện khử cacbon, với châu Âu hoạt động tốt nhất và Hoa Kỳ tệ nhất theo các giả định trong tương lai.

Lợi ích năng lượng vẫn rất mạnh. Các mô-đun sản xuất từ năm 2023 đến 2035 dự kiến sẽ tạo ra khoảng 94.602 TWh trong 12 năm đầu tiên của vòng đời 30 năm giả định. Lượng phát thải sản xuất của chúng ước tính khoảng 2,26 Gt CO₂eq. Sản xuất cùng một lượng điện với lưới điện khu vực trong tương lai sẽ thải ra từ 27 đến 67 Gt CO₂eq. Ngay cả với các giả định bảo thủ, lượng phát thải tránh được vượt quá 25 Gt CO₂eq.

Hình 5 | Cường độ carbon vòng đời của điện mặt trời so với cường độ điện lưới khu vực trong tương lai.

Phân tích độ nhạy: Hỗn hợp lưới điện và lựa chọn công nghệ thay đổi kết quả

Nghiên cứu thực hiện một số kiểm tra độ nhạy để xác định đòn bẩy nào quan trọng nhất.

Cường độ carbon của lưới điện phụ quan trọng hơn nhãn quốc gia

Hình 6 | Phạm vi GWP trên các lưới điện phụ ở bốn khu vực. Các đường màu đen thể hiện tham chiếu lưới điện trung bình được sử dụng trong mô hình chính.

Trung Quốc có phạm vi lưới điện phụ rộng nhất, từ khoảng 0,32 đến 0,58 kg CO₂eq/Wp. Lưới điện phụ có lượng carbon thấp nhất của Trung Quốc gần với trường hợp tham chiếu của châu Âu. Điều này có nghĩa là nhãn "sản xuất tại Trung Quốc" hoặc "sản xuất tại châu Âu" quá rộng để hạch toán carbon nghiêm túc. Kết nối lưới điện thực tế, thỏa thuận mua điện địa phương và quyền truy cập điện tái tạo trực tiếp có thể quyết định liệu một mô-đun có đáp ứng các ngưỡng carbon thấp như EPEAT Climate+ hay không.

Than là đầu vào nhiên liệu hóa thạch nhạy cảm nhất

Hình 7 | Tác động của thay đổi ±5% trong tỷ trọng nhiên liệu riêng lẻ trên 16 hạng mục môi trường.

Thay đổi ±5% trong tỷ trọng than có tác động mạnh nhất trên chín hạng mục, bao gồm thay đổi +4,8% trong GWP. Năng lượng hạt nhân ảnh hưởng mạnh đến các chỉ số bức xạ ion hóa nhưng có tác động nhỏ hơn ở các nơi khác. Thủy điện là nguồn tái tạo duy nhất giảm tất cả 16 hạng mục trong thử nghiệm độ nhạy này, cho thấy sản xuất PV chạy bằng thủy điện có thể đặc biệt thuận lợi từ góc độ LCA.

Bốn đòn bẩy kỹ thuật xác định giai đoạn tiếp theo của tính bền vững PV

Hình 8 | Độ nhạy của cải thiện hiệu suất, giảm bạc xuống 5 mg/W, giảm điện năng wafer và giảm silan.

Mục tiêu bạc là 5 mg/W đến từ ngưỡng bền vững đa terawatt được thảo luận bởi Haegel et al. trên Science 2023. Đạt được nó sẽ cắt giảm mạnh tác động sử dụng kim loại, nhưng nó không giải quyết được các tác động carbon, vật chất hạt hoặc năng lượng hóa thạch. Đó là lý do tại sao việc giảm sử dụng bạc nổi bật không phải là câu chuyện môi trường đầy đủ.

Kiểm tra độ không đảm bảo Monte Carlo xác nhận kết luận chính

Hình 9 | Kết quả độ tin cậy Monte Carlo trên 16 hạng mục tác động môi trường.

Sau 10.000 lần chạy Monte Carlo, PERC cho thấy tác động cao hơn TOPCon trong hơn 70% mô phỏng cho 11 trong số 16 hạng mục. Đối với biến đổi khí hậu, mức độ tin cậy là 71.5%. Đối với suy giảm tầng ozone, nó đạt 98.7%. Sử dụng kim loại di chuyển theo hướng ngược lại với độ tin cậy 95,8%, xác nhận rằng TOPCon rất có khả năng tiêu thụ nhiều tài nguyên kim loại hơn theo các giả định cơ sở.

Ý nghĩa ngành: Quá trình chuyển đổi sang TOPCon là tích cực, nhưng không tự động bền vững

Các phát hiện dẫn đến một số kết luận thực tế cho ngành sản xuất năng lượng mặt trời.

• TOPCon thay thế PERC là tích cực về mặt môi trường tổng thể, nhưng bạc trở thành vấn đề vòng đời, không chỉ là vấn đề chi phí. Do đó, mạ đồng và công nghệ xếp chồng Ni/Cu/Ag không chỉ là các lựa chọn giảm chi phí; chúng còn quan trọng để giảm các chỉ số tài nguyên kim loại.

• Điện cho wafer là điểm nóng khí hậu lớn nhất. Giảm polysilicon và kéo tinh thể là các quy trình cốt lõi cần theo dõi. Để tuân thủ dấu chân carbon, vị trí sản xuất nên được đánh giá ở cấp độ lưới điện phụ, không chỉ đơn giản theo quốc gia.

• Điện carbon thấp có thể tạo ra sự đánh đổi khoáng sản. Lưới điện khử carbon làm giảm GWP, nhưng nếu mở rộng lưới điện phụ thuộc nhiều vào các hệ thống năng lượng tái tạo sử dụng nhiều kim loại, các chỉ số sử dụng kim loại có thể tăng lên.

• Cải thiện hiệu suất là đòn bẩy sạch nhất cho tất cả các hạng mục. Hiệu suất mô-đun cao hơn giảm diện tích, vật liệu và nhu cầu năng lượng trên mỗi Wp trên toàn bộ chuỗi giá trị. TOPCon có đòn bẩy hiệu suất mạnh hơn PERC, nhưng lợi ích đó phải được bảo vệ bằng cách giảm tiêu thụ bạc.

Quan điểm của Ooitech

Là một nhà cung cấp thiết bị làm việc chặt chẽ với các dây chuyền sản xuất module năng lượng mặt trời, chúng tôi thấy sự chuyển đổi sang TOPCon như một lời nhắc nhở rằng hiệu suất tế bào cao hơn một mình không đủ để xác định một lộ trình sản xuất bền vững thực sự. Các quyết định quan trọng nhất ở cấp nhà máy sẽ là mức độ sẵn sàng của quy trình giảm bạc, nguồn điện cấp wafer và kiểm soát quy trình ổn định có thể chuyển đổi lợi ích hiệu suất thành tiết kiệm vật liệu thực tế trên mỗi Wp. Đối với các dây chuyền module trong tương lai, đặc biệt là những dây chuyền được thiết kế cho TOPCon hoặc các sản phẩm loại n thế hệ tiếp theo, hiệu suất môi trường sẽ ngày càng phụ thuộc vào mức độ tích hợp tốt giữa thiết bị, vật liệu và chiến lược năng lượng của nhà máy.