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不可思議！未來(lái)你家的窗戶也能發(fā)電了!
發(fā)布時(shí)間：2022-11-01
透明窗戶也能發(fā)電？
不知道你們有沒(méi)有想過(guò)這樣場(chǎng)景，我們住的公寓樓，城市里遍布的玻璃幕墻建筑，里面的每一扇玻璃窗都會(huì)成為發(fā)電機(jī)，可以在炎炎夏日為空調(diào)供給電力，或在隆冬給房間里的熱水器供電。這些原本只存在于科幻場(chǎng)景里的東西，正慢慢變成為現(xiàn)實(shí)。
今年4月，《NanoEnergy》雜志上刊登了一則關(guān)于澳大利亞ARC激子科學(xué)中心和莫納什大學(xué)教授杰克·杰森帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)研制出了半透明的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的報(bào)道。這報(bào)道咋一看似乎平平無(wú)奇，但其實(shí)它的精華都集中在了“半透明”這三個(gè)字上。
“半透明”意味著什么呢？就是這種電池在產(chǎn)生電能的同時(shí)，還可以讓光通過(guò)！如果能將它與玻璃產(chǎn)品結(jié)合起來(lái)，那窗戶就可以被改造成一個(gè)自主發(fā)電機(jī)，為電力、建筑、城市規(guī)劃等行業(yè)都帶來(lái)革命性的變化。
雖然到目前為止，半透明太陽(yáng)能電池的商用研究仍在路上，距離我們正式見(jiàn)到它可能還需要一些時(shí)間。但在那之前，我們完全可以先來(lái)了解一下這種名為“鈣鈦礦”的材料到底有什么樣能耐，可以引起各國(guó)研究者的巨大興趣。
人類對(duì)于太陽(yáng)能的利用
還不充分！?。?br />
隨著全球氣候變暖的加劇，極端天氣對(duì)人類和野生動(dòng)物的生存活動(dòng)造成了嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致氣候變暖的溫室氣體CO2、SO2主要來(lái)自化石燃料的燃燒，隨之帶來(lái)的霧霾天氣也讓我們無(wú)處遁逃。因此，亟待開(kāi)發(fā)可以替代化石燃料的清潔能源，如風(fēng)能、地?zé)崮?、太?yáng)能、潮汐能等。
其中，太陽(yáng)能是眾多清潔能源中最為理想的可再生能源，它取之不盡、用之不竭，是宇宙對(duì)我們最好的饋贈(zèng)。如果把太陽(yáng)光照射地球一小時(shí)的能量“全部”收集起來(lái)，夠全人類使用一年。倘若將地球荒漠面積的1%裝上光伏電站，就可以滿足人類目前用電量的需求。
既然太陽(yáng)的能量如此巨大，為什么沒(méi)能取代化石能源？太陽(yáng)能又該如何更高效利用？想要弄清楚這些問(wèn)題，我們就需要先了解太陽(yáng)能電池的工作原理：
一個(gè)典型的硅晶太陽(yáng)能電池，主要由以下幾個(gè)部分疊合組成：
當(dāng)太陽(yáng)照射電池板時(shí)，吸光層內(nèi)部的電子通過(guò)光照獲得了能量，部分帶負(fù)電的電子離開(kāi)始“活躍”起來(lái)，它們穿過(guò)電子傳輸層，在負(fù)極被收集。同時(shí)，帶正電的空穴向反方向傳遞，在正極被收集。當(dāng)電池正負(fù)極導(dǎo)通，電子和空穴流動(dòng)起來(lái)形成電流，從而實(shí)現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)換。
過(guò)去幾十年里，太陽(yáng)能電池的對(duì)太陽(yáng)光的吸收轉(zhuǎn)化運(yùn)用并不充分，很大原因在于吸光材料對(duì)于太陽(yáng)能量的利用率不高。光電轉(zhuǎn)換材料，制約了太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展。
● 第一代太陽(yáng)能電池所利用的光電轉(zhuǎn)換材料主要是硅，這種間接帶隙半導(dǎo)體，不能以最小的光能激發(fā)吸光層材料產(chǎn)生電流，所以光電轉(zhuǎn)化效率不高；
● 第二代太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換材料升級(jí)，使用直接帶隙半導(dǎo)體，例如砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵錫等，盡管相比于第一代吸光材料而言，這種材料更加高效，但它們也面臨制備成本高、材料純度要求嚴(yán)苛的弊端。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的構(gòu)造與運(yùn)行機(jī)理示意圖
典型的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)主要有五部分疊合而成，包括一個(gè)吸光層、兩個(gè)傳輸層、兩個(gè)電極，其中吸光層至關(guān)重要，它是光能與電能的紐帶，是能量轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)。
鈣鈦礦就是在這一層中大顯身手的。當(dāng)太陽(yáng)能電池工作時(shí)，吸光層受到光照，它內(nèi)部的電子獲得能量，這些電子就如同吃飽飯的孩子精力充沛變得非常淘氣，要來(lái)一場(chǎng)說(shuō)走就走的旅行，它們掙脫吸光層的束縛，再通過(guò)傳輸層的助力向外部傳遞；與此同時(shí)，當(dāng)帶負(fù)電的電子離開(kāi)后，留下了帶正電的空穴，朝著電子的反方向傳遞，就這樣電子和空穴流動(dòng)起來(lái)，構(gòu)成外部電流，實(shí)現(xiàn)了光能向電能的轉(zhuǎn)換。
隨著太陽(yáng)能電池研發(fā)制備技術(shù)的升級(jí)，鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換材料橫空出世，成為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展雖然只有十余年的時(shí)間，但是它的光伏發(fā)電效率卻能從3%提升至30%左右。相比于前幾代光電轉(zhuǎn)換材料，鈣鈦礦材料兼具了高效率和低成本制備的優(yōu)勢(shì)，與發(fā)明了近70年的硅太陽(yáng)能電池相比，說(shuō)它是乘著火箭發(fā)展起來(lái)的也不為過(guò)。
神奇的鈣鈦礦材料
鈣鈦礦自“出生”就“天賦異稟”，得到了廣泛的關(guān)注
那么它究竟是一種什么物質(zhì)呢？
1839年，德國(guó)科學(xué)家在考察烏拉爾山脈時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種元素組成為 CaTiO3的礦石，并將其命名為"perovskite”以紀(jì)念同名的俄國(guó)地質(zhì)學(xué)家。發(fā)現(xiàn)該礦石的地質(zhì)學(xué)家一定不會(huì)想到，二百余年后的今天，這種深埋地下的棕色礦石衍生出的材料竟然會(huì)聚焦在陽(yáng)光下，成為新能源材料領(lǐng)域炙手可熱的新星。
鈣鈦礦不是一種“礦”，它其實(shí)和鈣、鈦、礦三個(gè)字都沒(méi)什么關(guān)系。光伏領(lǐng)域的所謂“鈣鈦礦”，指的是一類與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結(jié)構(gòu)類似的“ABX3”化合物。
這種結(jié)構(gòu)長(zhǎng)成下面這個(gè)樣子，它具有對(duì)稱的立方八面體晶格結(jié)構(gòu)，后來(lái)科學(xué)家們將擁有這種晶格結(jié)構(gòu)的一類物質(zhì)統(tǒng)稱為鈣鈦礦。
這類材料通常具有ABX3的化學(xué)式，其中A,B,X都對(duì)應(yīng)著不同的離子，通常，A代表有機(jī)胺陽(yáng)離子，B代表金屬陽(yáng)離子，如Pb離子、Sn離子，X代表鹵素陰離子。
因此，鈣鈦礦指的不是特定材料，而是一種結(jié)構(gòu)，一類物質(zhì)。這類材料應(yīng)用的光電領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì)，包括種類繁多，對(duì)光的吸收能力強(qiáng)，吸收范圍廣，幾乎可以吸收全部可見(jiàn)光；并且能在溫和條件下實(shí)現(xiàn)低成本的制備，對(duì)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用極具意義。
2009年，日本科學(xué)家宮坂力造出了世界上第一塊鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)化率只有3.8%，彼時(shí)晶硅電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到了18%左右。但僅僅5年后，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率便已躍升至19.3%，提高了5倍，被《科學(xué)》雜志評(píng)為2013年的10大科學(xué)突破之一。到2022年，這數(shù)字已經(jīng)來(lái)到了29.8%，由德國(guó)HZB研究中心創(chuàng)造；其進(jìn)步之快，潛力之大，超過(guò)目前效率最高的異質(zhì)結(jié)、TOPCon等晶硅技術(shù)的效率極限，將同為薄膜電池的其它技術(shù)路線甩開(kāi)幾條街。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備成本僅僅是單晶硅太陽(yáng)能電池的十分之一，卻能達(dá)到與之相似的效率。它是如何實(shí)現(xiàn)低成本制備的呢？
與傳統(tǒng)吸光層復(fù)雜的純化和刻蝕工藝不同，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可以通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液法合成。
目前實(shí)驗(yàn)室使用最為廣泛的方法是旋涂法，即在基底材料表面滴加溶液，高速旋轉(zhuǎn)后均勻鋪開(kāi)結(jié)晶成膜，可用于微型器件的制備。
大面積制備可以通過(guò)柔性印刷工藝實(shí)現(xiàn)，這與平時(shí)的紙質(zhì)印刷的原理相似，就如同油墨鋪在紙張上一樣，高效且成本低廉。在太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦層僅需0.5微米就可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的功能，而硅則需要200微米。
因此，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池原料成本低，工藝簡(jiǎn)單，并且可以在柔性基地表面制備；克服了傳統(tǒng)電池制備對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)苛、制備工藝高能耗、高成本、易造成環(huán)境污染的缺點(diǎn)。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池憑借著自身微型化、柔性化、輕質(zhì)化的特點(diǎn)，可以部署在那些無(wú)法承受或不能安裝晶硅電池的地方，小到為柔性可穿戴電子產(chǎn)品供電；再到汽車天窗，安裝在車頂為汽車提供混合動(dòng)力；大面積太陽(yáng)能電池板甚至能貼附于大樓表面，為整棟大樓供電。
除了我們的日常生活，在空天科技領(lǐng)域鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也能大顯神通。
例如為無(wú)人機(jī)巡航提供能源動(dòng)力；應(yīng)用在月球車和衛(wèi)星的帆板，源源不斷地提供動(dòng)力來(lái)維持宇宙飛行器的日常運(yùn)行；甚至還能應(yīng)用在空間站，成為最堅(jiān)實(shí)可靠的能源保障。
鈣鈦礦被用在光伏太陽(yáng)能電池中
它具體有哪些優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)？
01/優(yōu)勢(shì)
光電轉(zhuǎn)化效率高
鈣鈦礦材料具有較高的光吸收系數(shù)和較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散距離。在可見(jiàn)光波長(zhǎng)（380~800nm）范圍內(nèi)，鈣鈦礦的光吸收系數(shù)比硅高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此鈣鈦礦薄膜只需要幾百納米就有較強(qiáng)的吸光能力；鈣鈦礦材料吸收的光子轉(zhuǎn)換成電子后，由于其載流子具有較長(zhǎng)的擴(kuò)散距離（幾個(gè)微米，遠(yuǎn)大于鈣鈦礦薄膜厚度），很容易被電極收集、損耗較小，因此能產(chǎn)生較高的光生電壓和電流，綜合表現(xiàn)出較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
弱光性能好
鈣鈦礦光伏電池弱光下具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率，未來(lái)有機(jī)會(huì)將室內(nèi)照明的弱光和陰天時(shí)室外弱的太陽(yáng)光利用起來(lái)發(fā)電，這也是鈣鈦礦光伏區(qū)別于傳統(tǒng)硅基光伏的一大優(yōu)勢(shì)。
理論研究表明，弱光下光伏電池的發(fā)電效率跟能帶間隙有關(guān)，在接近2eV帶隙時(shí)，光伏電池在弱光下的效率高達(dá)52%。由于鈣鈦礦材料帶隙可調(diào)、光吸收系數(shù)高、對(duì)雜質(zhì)不敏感，對(duì)應(yīng)的光伏電池對(duì)缺陷態(tài)的包容度較高，其在弱光下仍具有優(yōu)異的光電裝換效率。而晶硅的帶隙約1.1eV，偏離2eV較多，弱光下發(fā)電效率很低。
相關(guān)的研究表明，鈣鈦礦光伏電池在200 Lux的弱光下仍可輸出25%以上的光電轉(zhuǎn)換效率。夏季明朗的室內(nèi)光照強(qiáng)度為100～550 Lux，而100 W的白熾燈光照強(qiáng)度約1200 Lux，熒光燈的發(fā)光效率是白熾燈的3～4倍，這就意味著鈣鈦礦光伏未來(lái)有望在室內(nèi)弱光條件下為一些低能耗電器提供可靠穩(wěn)定的電力來(lái)源。
光伏特性可調(diào)
鈣鈦礦材料可以通過(guò)調(diào)節(jié)組分，使其能帶間隙在1.4~2.3eV之間連續(xù)可調(diào)，因此可以衍生出區(qū)別于硅基光伏的應(yīng)用：
● 如調(diào)整帶隙至2eV左右，使其適用于弱光下高效發(fā)電；
● 用于建筑玻璃上，將鈣鈦礦薄膜做成不同顏色或者半透明的狀態(tài)，做在質(zhì)輕的柔性基底上實(shí)現(xiàn)建筑光伏一體化，即BIPV或者BAPV；
● 制成疊層電池，設(shè)計(jì)不同帶隙的鈣鈦礦層，并彼此或是與其他光伏材料疊加，從而使不同波長(zhǎng)的光能轉(zhuǎn)化成電能；
而相比較之下，晶硅光伏電池只有單一的帶隙，性能的優(yōu)化空間與應(yīng)用場(chǎng)景均十分有限。
02/劣勢(shì)
然而，集眾多優(yōu)勢(shì)于一身的鈣鈦礦材料在實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用路上，仍存在著亟待解決的瓶頸問(wèn)題，吸引著科學(xué)家們不斷探索鉆研，主要表現(xiàn)三個(gè)方面：
01
有些鈣鈦礦含Pb這種有毒物質(zhì)，因此開(kāi)發(fā)無(wú)毒化鈣鈦礦材料一直是該領(lǐng)域重要的研究方向，目前已經(jīng)有研究成果表明可以用Sn元素來(lái)替代Pb，也能實(shí)現(xiàn)高的光電轉(zhuǎn)換效率；
02
鈣鈦礦材料對(duì)于氧氣和水不穩(wěn)定，這個(gè)問(wèn)題一方面可以通過(guò)改善封裝技術(shù)來(lái)解決；
03
目前很多課題組都將研究重點(diǎn)從刷高效率轉(zhuǎn)移到提高環(huán)境穩(wěn)定性上來(lái)，在不久的將來(lái)，其穩(wěn)定性問(wèn)題相信也一定會(huì)被突破，從而實(shí)現(xiàn)批量制備，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；
理研計(jì)器提供技術(shù)保障
目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)入深入研究階段，而如何在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低成本，提高效率和穩(wěn)定性，推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化，是將來(lái)主要的研究方向。
這其中就需要通過(guò)光電子能譜表界面分析技術(shù)對(duì)鈣鈦礦降解機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的研究，獲取材料表界面的能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、元素結(jié)構(gòu)、功函數(shù)等信息，從而深入理解鈣鈦礦分解過(guò)程，找到相應(yīng)解決方案。
理研計(jì)器的AC-2S系列一直活躍于各大光電材料分析領(lǐng)域，服務(wù)于材料基因組學(xué)、表界面工程、新材料的設(shè)計(jì)以及新器件的研發(fā)！
原理
由紫外光源射出的紫外光，經(jīng)由分光器單色化后，照射到樣品表面。根據(jù)光電效果的原理（物質(zhì)通過(guò)吸收光子的能量，激發(fā)出光電子），所激發(fā)的光電子被電子產(chǎn)額檢測(cè)器檢測(cè)收集后，生成相應(yīng)譜圖。紫外線的波長(zhǎng)λ可由以下公式換算成光的能量E：
? Tip
E=h ν＝h?c / λ
（h：普朗克常數(shù)，ν：光的振動(dòng)頻率，c：光速，λ：波長(zhǎng)）
當(dāng)照射的紫外光的強(qiáng)度逐漸變大時(shí)，如圖所示，可從光電子激發(fā)的閾值能量中求得逸出功或者電離勢(shì)能。
AC-2S 系列針對(duì)各個(gè)用戶群體進(jìn)行功能細(xì)分化，開(kāi)發(fā)了AC-2S Proα/β的機(jī)型↓↓↓
1＜溫度條件測(cè)試＞最高可以升溫至100℃
加裝了加熱樣品臺(tái)，最高可加熱至100℃(最低為室溫)
▲可用于測(cè)定因溫度變化而發(fā)生性質(zhì)變化的新材料
2＜?jí)勖L(zhǎng)?大光量的新型光源＞壽命延長(zhǎng)超過(guò)10倍
新型激光驅(qū)動(dòng)光源(LDLS)擁有極長(zhǎng)壽命(普通氘燈的10倍以上)，大光量(最大2500nW)等特點(diǎn)，可滿足材料逸出功測(cè)定的各種需要。
▲由于壽命極長(zhǎng)，所以不用頻繁更換光源配件
3＜微小領(lǐng)域測(cè)定＞
極小光斑(~0.4mm見(jiàn)方)測(cè)定
▲可以測(cè)定極小面積的材料，適合半導(dǎo)體晶圓或像素點(diǎn)等材料
4＜低能量范圍＞
能量下限可低至2.0eV
▲配合大光量光源，可測(cè)試某些逸出功較低的新型材料
AC系列的優(yōu)點(diǎn)
1 可在大氣中簡(jiǎn)單測(cè)試
無(wú)需進(jìn)入真空狀態(tài)，樣本更換簡(jiǎn)單，可在短時(shí)間完成測(cè)量。
2 對(duì)材料的破壞 小 并且測(cè)量值的再現(xiàn)性高
原理是照射強(qiáng)度較弱的紫外線，檢測(cè)釋放的微量光電子，因此對(duì)材料的破壞小， 測(cè)試的再現(xiàn)性高。
3 AC 系列有眾多的導(dǎo)入實(shí)績(jī)
在全世界的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)中有導(dǎo)入實(shí)績(jī)，被2000多篇論文引用刊載。
AC系列在材料研究領(lǐng)域一直響應(yīng)著研究者的需求，其主要應(yīng)用領(lǐng)域在電子器件產(chǎn)業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)、研究所、大學(xué)等方面：
光伏產(chǎn)業(yè)
使用鈣鈦礦型有機(jī)金屬鹵化物的可視光敏太陽(yáng)能電池，可以使用AC系列測(cè)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料的逸出功；同時(shí)，AC系列也能夠準(zhǔn)確測(cè)定有機(jī)和無(wú)機(jī)空穴傳輸材料能級(jí)，用于篩選空穴電荷傳輸材料。
鋰電池產(chǎn)業(yè)
用于鋰離子電池正極材料的循環(huán)性能增強(qiáng)的表面處理技術(shù)，可以使用AC系列測(cè)量鋰電池正極材料的電離勢(shì)能；
氫燃料電池產(chǎn)業(yè)
使用非貴金屬的新型燃料電池電極材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究，可以使用AC系列測(cè)定燃料電池電極材料的電離勢(shì)能；
目前，AC系列正在全世界被廣泛使用，特別是各大學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，目前已有數(shù)千篇相關(guān)論文發(fā)表在各大知名雜志(Nature Science RSC等)上，目前使用AC系列的研究機(jī)構(gòu)：
研究機(jī)構(gòu)
東京大學(xué)、京都大學(xué)、名古屋大學(xué)、山形大學(xué)、九州大學(xué)、理化學(xué)研究所、物質(zhì)?材料研究機(jī)構(gòu)、東京工業(yè)大學(xué)、信州大學(xué)、斯坦福大學(xué)(美國(guó))、普林斯頓大學(xué)(美國(guó))、斯特拉斯堡大學(xué)(法國(guó))、弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)(德國(guó))、柏林洪堡大學(xué))德國(guó))、北京大學(xué)(中國(guó)) 、華南理工大學(xué)(中國(guó))、武漢大學(xué)(中國(guó)) 、工業(yè)技術(shù)院(中國(guó)臺(tái)灣)、韓國(guó)電子技術(shù)院(韓國(guó))、慶北大學(xué)(韓國(guó))、 VISTIC(泰國(guó))、 IMRE 研究所(新加坡)、 CSIRO(澳大利亞)、KAUST(沙特阿拉伯)等
隨著相關(guān)企業(yè)和科學(xué)家們對(duì)鈣鈦礦研究的加深，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)也有望趨于成熟，理研計(jì)器希望在這條攻堅(jiān)克難的挑戰(zhàn)之路上，貢獻(xiàn)出自己的技術(shù)力量。
結(jié)語(yǔ)
“碳達(dá)峰”和“碳中和”一直都是能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，作為助力“雙碳”戰(zhàn)略的生力軍，光伏產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重的地位。
目前在我國(guó)，已經(jīng)開(kāi)始大力推廣光伏產(chǎn)業(yè)。大面積的農(nóng)田村莊都已經(jīng)安裝了太陽(yáng)能電池板，據(jù)國(guó)家發(fā)改委預(yù)測(cè)，到2050年光伏會(huì)成為中國(guó)第一大能源。因此，合理開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能，對(duì)國(guó)家發(fā)展和人類生存具有重要的意義。
理研計(jì)器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測(cè)器。未來(lái)，我們?nèi)詫⒉粩嚅_(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項(xiàng)新功能，使得氣體檢測(cè)儀在應(yīng)用上更先進(jìn)、更適合日新月異的市場(chǎng)環(huán)境，致力于為用戶提供一個(gè)最可靠、最準(zhǔn)確、最安全的氣體檢測(cè)方案。
理研計(jì)器必將在未來(lái)氣體產(chǎn)業(yè)的生命安全畫(huà)卷中，添上濃墨重彩的一筆，守護(hù)人們的幸福生活，為生產(chǎn)和生活不斷創(chuàng)造新價(jià)值！為用戶選配適合原理的檢測(cè)儀，用成熟的工藝完善氣體檢測(cè)系統(tǒng)。