はじめに：この研究が今重要な理由

この記事は、2026年2月にオンライン公開されたNature Communicationsの論文「 Maximising environmental savings from silicon photovoltaics manufacturing to 2035 （Bethany L. Willisら）に基づいています。この研究は、PERCとTOPConの太陽光発電製造のライフサイクル比較をより完全に行い、現在の生産データから2035年の技術およびグリッドシナリオまで分析を拡張しています。

2023年末までに、世界の太陽光発電設備容量はすでに 1 TWpを超えました。長期的な脱炭素化シナリオでは、その数値は 2050年までに約80 TWpに達する可能性があります。この成長はエネルギー転換に不可欠ですが、しばしば過小評価される製造負担も生み出します。以前の推定では、PV製造自体が1.5°C経路の下で 残りの世界炭素予算の最大11% を消費する可能性があると示唆されていました。

このタイミングが重要なのは、主流の結晶シリコン産業が急速に PERC から TOPConから移行しているためです。TOPConはより高い効率を提供しますが、そのセル構造、ドーパント、パッシベーション層、メタライゼーションはPERCとは大きく異なります。重要な質問は単純ですが難しいものです：より高い効率は環境影響を減らすのか、それとも追加の材料とプロセスの複雑さがその利点を相殺するのか？

この研究では、 ゆりかごからゲートまでのライフサイクルアセスメントを用いて、石英採掘からウェハ、セル、モジュール製造、そして中央ヨーロッパへの出荷までのチェーンをカバーしています。機能単位は 1 Wpであり、影響評価はEU EF v3.1法に従い16のカテゴリーで行われます。技術開発の前提は ITRPV 2024ロードマップに基づき、電力の脱炭素化はEIA 2023の低ゼロカーボン技術コストシナリオに従います。製造地域は中国、インド、米国、欧州を含み、不確実性のテストにはモンテカルロ分析が使用されます。

PERC vs TOPCon：15カテゴリーで優れ、1カテゴリーで劣る

2023年の中国製造・中央ヨーロッパ出荷ベースラインシナリオでは、TOPConはPERCよりも 16の環境影響カテゴリー中15カテゴリー で優れた性能を示します（1 Wpあたり）。TOPConが劣る唯一のカテゴリーは 金属および鉱物資源の使用.

図1 | PERCとTOPConの6つの主要影響カテゴリーの正規化比較（パーセンテージ差付き）

金属資源影響の+15.2%増加は、主に銀に関連しています。PERCセルでは、裏面メタライゼーションに銀とアルミニウムの組み合わせが使用されます。TOPConセルでは、表面と裏面の両方のメタライゼーションが銀ペーストに大きく依存しています。その結果、TOPConが面積あたりより多くの電力を生産するにもかかわらず、1 Wpあたりの銀需要は依然として重要な環境問題です。

これがパラドックスの第一層です： TOPConはほとんどのライフサイクルカテゴリーでよりクリーンですが、銀集約型メタライゼーションのために金属フットプリントが悪化する可能性があります。

ホットスポット分析：電力が炭素を支配し、銀が金属使用を支配

この研究では、TOPConモジュールの製造を、ウェーハ生産、セル生産、モジュール組立、中央ヨーロッパへの輸送の4つの主要段階に分けています。結果は、異なる環境カテゴリーが非常に異なるホットスポットによって制御されていることを示しています。

ウェーハ生産が最大の炭素ホットスポット

ウェーハ段階は16の影響カテゴリーのうち12を支配しています。論文で強調されている6つの主要カテゴリーでは、ウェーハ関連の電力使用が大きく寄与しています：

ウェーハの電力需要の85%以上は、 ポリシリコン削減 および チョクラルスキー法による結晶引き上げに由来します。実際には、太陽光モジュールのカーボンフットプリントは、上流のポリシリコンおよびインゴット生産で使用される電力ミックスに大きく影響されます。

セル生産が金属使用のホットスポット

セル段階は、金属資源の使用が支配的になる唯一の段階です。銀ペーストのメタライゼーションは、 モジュール全体の金属使用量の53.0% および セル段階内の金属使用量の98.3%を占めます。その他のセル段階のホットスポットには、ポリSi堆積およびPECVD用のシラン、アニーリング電力、溶剤洗浄からのNMVOC排出が含まれます。

モジュール組立はガラス、銅、スズによって駆動される

モジュール段階は、人体毒性と土地利用に強く寄与します。主要な材料には、前面ガラス、ソーダ灰、ガラス生産で使用される重油、銅、スズが含まれます。スズは比較的少量使用されますが、金属使用指標への寄与は依然として顕著です。

輸送は海運が支配的だが、海上貨物は依然として比較的効率的

中国からヨーロッパへの配送では、輸送の影響は絶対的には海上輸送が支配的です。しかし、トンキロメートルあたりでは、海上貨物は道路輸送よりもはるかにクリーンです。輸送は、炭化水素燃料と物流インフラのために、特に光化学オゾン形成に寄与します。

図2 | 6つの主要影響カテゴリーにおけるウェーハ、セル、モジュール、輸送段階のホットスポット寄与。

製造地域と時間予測：ヨーロッパがリードするが、2035年には変化が生じる

本論文では、2023年から2035年までの中国、インド、米国、欧州におけるTOPCon製造をモデル化しています。現在の電力構成と将来の脱炭素化されたグリッドシナリオの両方を考慮しています。効率、銀使用量、ポリシリコン消費量、ウェハ厚などの技術パラメータは、ITRPVの前提に従って年々改善されます。

図3 | 2023年から2035年までの製造地域別の6つの主要影響カテゴリー。実線は現在のグリッド、破線は将来の脱炭素化グリッドを表します。

いくつかの顕著な知見があります。

最も直感に反する結果は、 金属使用のパラドックスです。よりクリーンな電力システムは炭素排出を削減しますが、再生可能電力インフラはより多くの希少金属を必要とする可能性があります。EF v3.1では、銀やレアアースなどの希少金属は高い特性化係数を持ちます。将来のグリッド想定の下では、米国が2035年までに金属使用量が最も高いケースとなり、欧州はグリッドシナリオにおけるPVシェアが比較的小さいため、最も低いままです。

言い換えれば、脱炭素化は気候勘定を改善しますが、システムが金属集約型のクリーンエネルギーインフラに依存する場合、鉱物資源勘定を悪化させる可能性があります。

2035年までの世界展開：最大8.2 Gt CO₂eqを回避可能

ITRPVの出荷予測を用いて、この研究ではPERCが2034年までに市場から撤退し、TOPConが主要な後継技術になると仮定しています。そして、さまざまな地域の製造およびグリッドシナリオの下で、累積的な世界の製造影響を計算します。

図4 | 世界のPERCおよびTOPCon導入における累積的な気候変動と金属使用影響。影付き領域は現在と将来のグリッドシナリオの差を示す。

主な結果は以下の通り：

• 2035年までのPERCおよびTOPCon製造の累積排出量は、上限約 13.8 Gt CO₂eq.

• 製造拠点の最適化と電力の脱炭素化により、これを最大 8.2 Gt CO₂eq.

• 削減可能。これは、2019年の世界の人為的温室効果ガス正味排出量の約 13.9%.

• に相当する。想定されるEIA将来シナリオのもとで製造を中国から欧州に移すことで、累積GWPをさらに 49.5%.

• 削減できる可能性がある。グリッドの脱炭素化が進むにつれて金属使用影響は増大し、将来シナリオでは欧州が最も優れ、米国が最も悪い結果となる。

エネルギー便益は依然として非常に大きい。2023年から2035年に製造されるモジュールは、想定される30年の寿命の最初の12年間で約 94,602 TWh を発電すると見込まれる。その製造排出量は約 2.26 Gt CO₂eqと推定される。同じ電力を将来の地域グリッドで生産した場合、排出量は 27～67 Gt CO₂eqとなる。保守的な仮定でも、回避される排出量は 25 Gt CO₂eq.

図5 | 太陽光発電のライフサイクル炭素強度と将来の地域グリッド電力強度の比較。

感度分析：グリッド構成と技術選択が結果を変える

本研究では、どのレバーが最も重要かを特定するために複数の感度テストを実施している。

国ラベルよりもサブグリッドの炭素強度が重要

図6 | 4地域におけるサブグリッド間のGWP範囲。黒線はメインモデルで使用された平均グリッド参照値を示す。

中国はサブグリッドの範囲が最も広く、約 0.32～0.58 kg CO₂eq/Wp最も低炭素な中国のサブグリッドは、欧州の参照ケースに近い。これは、「中国製」や「欧州製」というラベルが、真剣な炭素会計にはあまりにも大雑把であることを意味する。実際のグリッド接続、地域の電力購入契約、直接的な再生可能エネルギーへのアクセスが、モジュールがEPEAT Climate+のような低炭素基準を満たすかどうかを決定できる。

石炭は最も敏感な化石燃料投入

図7 | 16の環境カテゴリーにおける個別燃料シェアの±5%変化の影響。

石炭シェアの±5%変化は、9つのカテゴリーで最も強い影響を与え、 GWPの+4.8%変化を含む。原子力は電離放射線指標に強く影響するが、他のカテゴリーへの影響は小さい。水力はこの感度テストで16のカテゴリーすべてを減少させる唯一の再生可能エネルギー源であり、水力発電で製造されたPVはLCAの観点から特に有利である可能性がある。

PV持続可能性の次の段階を定義する4つの技術的レバー

図8 | 効率改善、銀使用量5 mg/Wへの削減、ウェハー電力削減、シラン削減の感度。

銀の目標値 5 mg/W は、HaegelらがScience 2023で議論したマルチテラワット持続可能性閾値に由来する。これを達成すると金属使用影響が急減するが、炭素、粒子状物質、化石エネルギー影響は解決しない。そのため、銀使用量の大幅削減は環境全体の話ではない。

モンテカルロ不確実性チェックにより、主な結論が確認されました

図9 | 16の環境影響カテゴリーにおけるモンテカルロ信頼性結果

10,000回のモンテカルロ実行後、PERCは16カテゴリー中11カテゴリーで70%以上のシミュレーションにおいてTOPConよりも高い影響を示しました。気候変動については、信頼水準は 71.5%です。オゾン層破壊については、 98.7%に達します。金属使用量は逆方向に動き、 95.8%の信頼度で、ベースラインの仮定の下でTOPConが金属資源をより多く消費する可能性が非常に高いことが確認されました。

業界への示唆：TOPConへの移行はポジティブだが、自動的に持続可能とは限らない

この調査結果は、太陽電池製造業界に対していくつかの実用的な結論をもたらします。

• TOPConがPERCに取って代わることは、環境面で全体的にポジティブですが、銀はコスト問題だけでなくライフサイクル問題になります。したがって、銅めっきやNi/Cu/Agスタック技術はコスト削減オプションであるだけでなく、金属資源指標を削減するためにも重要です。

• ウェハー電力が最大の気候ホットスポットです。ポリシリコン削減と結晶引き上げが注目すべき核心プロセスです。カーボンフットプリントのコンプライアンスのためには、製造場所を単に国別ではなく、サブグリッドレベルで評価すべきです。

• 低炭素電力は鉱物のトレードオフを生み出す可能性があります。脱炭素化されたグリッドはGWPを低下させますが、グリッド拡大が金属集約型の再生可能エネルギーシステムに大きく依存する場合、金属使用指標が上昇する可能性があります。

• 効率向上は、全カテゴリーで最もクリーンなレバーです。モジュール効率の向上は、バリューチェーン全体で面積、材料、エネルギー需要をWpあたりで削減します。TOPConはPERCよりも強い効率レバレッジを持っていますが、その利点は銀消費の削減によって保護されなければなりません。

Ooitechの見解

太陽電池モジュール製造ラインと密接に連携する設備サプライヤーとして、TOPConへの移行は、セル効率の向上だけでは真に持続可能な生産ルートを定義するのに十分ではないという教訓を与えています。最も重要な工場レベルの決定は、銀使用量削減プロセスの準備状況、ウェハー側の電力調達、そして効率向上を実際のWpあたりの材料節約に変換できる安定したプロセス制御にかかっています。将来のモジュールライン、特にTOPConや次世代n型製品向けに設計されたものでは、環境性能は設備、材料、工場のエネルギー戦略がどれだけうまく統合されているかにますます依存するでしょう。