When Harry met Albert

Nanotechnologie Een fysicus in Amsterdam en een in Californië werken al 20 jaar succesvol samen, nu aan zonnecellen.

Margriet van der Heijden

Nederland, Amsterdam, 22-05-2012 prof. dr. Albert Polman in gesprek via skype met Atwater. AMOLF, Science Park PHOTO AND COPYRIGHT ROGER CREMERS Roger Cremers - 2012

Als Harry Atwater met zijn gezin ’s zomers in Amsterdam is, gaan ze eerst met zijn allen naar het Muiderpoortstation. Daar kopen ze alle vier een tweedehands fiets. Daarna kunnen ze, “net als Amsterdammers”, gaan en staan waar ze willen.

Maar het is niet de stad zelf die Atwater trekt. Dat hij al jaren geregeld naar Nederland vliegt, komt door Albert Polman. Ruim 20 jaar geleden, in 1989, ontmoetten ze elkaar voor het eerst.

Atwater: “Het was op een wetenschappelijk congres in San Diego.”

Polman: “Ik was net gepromoveerd in Utrecht en zocht een postdocpositie in de Verenigde Staten.”

Atwater: “En ik had net mijn eerste aanstelling bij Caltech, als assistent-professor.”

Het klikte meteen.

Atwater werkt nog altijd aan dat befaamde California Institute of Technology waar bij elkaar 31 Nobelprijswinnaars gewerkt hebben of werken. Ook Obama’s minister van energie, Nobelprijswinnaar Steven Chu, komt er vandaan.

Atwater leidt er het Resnick Institute for Science, Energy and Sustainability, met een fonds van 90 miljoen dollar. Hij heeft er een onderzoeksgroep op het gebied van geavanceerde zonneceltechnologie. En daarnaast richtte hij twee start-ups op, Alta Devices en Caelux, die zulke nieuwe zonneceltechnologie naar de markt proberen te brengen.

Polman werd intussen directeur van het als excellent bekend staande onderzoeksinstituut Amolf in het Science Park in Amsterdam, en begon daar het onderzoek aan nanofotonica. Net als in Atwaters groep ontwerpen de Amsterdamse fysici schotelantennes, bolletjes, staafjes en gaatjes op de schaal van een nanometer (een miljoenste millimeter). Die nanostructuren moeten in nieuwe generaties zonnecellen het licht vangen en bundelen zodat het efficiënter in energie kan worden omgezet. In het Nanocenter van Amolf worden ze gemaakt: verfijnder en geavanceerder dan dat elders kan.

“Maar als Harry en ik elkaar dan weer ergens ontmoeten, is er meteen weer die klik”, zegt Polman in zijn werkkamer op het instituut. Atwater knikt instemmend. Hij zit op een vliegveld in Chicago, in afwachting van een aansluiting naar Illinois, en praat mee via Skype.

Polman: “We zijn het erover eens welke vragen in ons onderzoeksveld belangrijk zijn.”

Atwater: “En welke kant het op moet.”

Polman: “En onze ideeën daarover houden we niet voor onszelf. Die delen we met anderen. Via publicaties.”

Atwater: “Wij willen anderen inspireren.”

Daarvoor worden ze nu beloond: deze week kende de Italiaanse energiegigant ENI zijn jaarlijkse en toonaangevende prijs ‘voor hernieuwbare en niet-conventionele energie’ aan Polman en Atwater toe. Wegens hun jarenlange samenwerking én wegens twee recente toonaangevende publicaties (Nature Materials, maart 2012 en Nature Materials, maart 2010).

Atwater en Polman lieten daarin zien hoe je met slimme nano-ontwerpen licht kunt dresseren: het kunt uiteenrafelen in kleuren, het kunt laten reflecteren, het de hoek om kunt sturen enzovoorts. En ze betoogden dat je de efficiëntie van zonnecellen aanzienlijk kunt vergroten als je zulke lichtdressuur combineert met uiteenlopende materialen die specifiek toegesneden zijn op één bepaalde kleur licht. Terwijl conventionele zonnecellen 10 tot 20 procent van het zonlicht omzetten in elektriciteit, zou je de efficiëntie in zulke complexe zonnecellen tot wel 60 procent kunnen opvoeren

Polman: “Het artikel uit 2010 is al meer dan 500 keer geciteerd.”

Atwater: “Dat geeft óók aan hoe groot het vakgebied van de photovoltaics [het omzetten van licht, fotonen, in elektriciteit, voltaics, red.] nu is. Er gaan honderden miljarden dollars in om en er werken wereldwijd tienduizenden onderzoekers aan.”

Polman en Atwater werkten niet van meet af aan aan zonnecellen. Hun samenwerking begon in 1994 met onderzoek aan ‘quantumdots’. De laboratoria waarover zij konden beschikken, bij Caltech en op Amolf, vulden elkaar mooi aan.

Polman: “Dat we daarna bleven samenwerken, komt mede doordat we telkens bijna gelijktijdig een nieuwe weg insloegen – en dan wéér dezelfde kant op gingen.”

Atwater: “Maar dat laatste was ook een gevólg van de samenwerking, Albert. Want we discussieerden samen en kwamen zo op ideeën.”

Hij geeft een voorbeeld. “Albert zei altijd: eerst moet je weten hoe de atomen in een materiaal zijn gerangschikt en dan pas weet je ook waar de elektronen zich bevinden. Al discussiërend trokken we dat door: pas als je weet waar de elektronen zijn, weet je ook waar de fotonen zich bevinden – het licht dus. En dàt is nog steeds het thema van ons gezamenlijk werk: dat we heel kwantitatief naar de materialen voor zonnecellen kijken. Waar zitten de atomen, elektronen en het licht precies? Dat was niet gebruikelijk in het zonnecelonderzoek.”

Polman: “Inderdaad. Maar we kónden dat ook doen doordat allerlei nieuwe technieken, bijvoorbeeld voor nanofabricage, dit de laatste jaren mogelijk maakten.”

De staat Californië stimuleert duurzame energie met allerlei wetgeving. De Amerikaanse energieminister Chu investeert bovendien miljoenen dollars in fundamenteel onderzoek naar zulke duurzame energievormen. In Nederland is de interesse in zonnecellen een stuk geringer en wordt op fundamenteel onderzoek vooral bezuinigd. Is Polman weleens jaloers op Atwater? Of Atwater misschien toch ook op Polman?

Atwater: “Nee, maar bij samenwerking gaat het om personen. Niet om omstandigheden. Het maakt mij niet uit wat de Nederlandse regering van zonnecellen vindt. Waar ik van onder de indruk ben, is de sterke cultuur van fundamenteel onderzoek in Nederland. Die zie ik weerspiegeld in de promovendi, die trouwens ook geregeld naar Caltech komen: ze zijn communicatief, werken graag samen en hebben een, wat ik noem, ‘wetenschappelijke intensiteit’. En die intense sfeer tref je in Pasadena net zo goed aan, dat zal Albert beamen.”

Polman: ”Zeker. Als je daar komt, word je onmiddellijk aangesproken door promovendi: wat je van plan bent te doen, of er samenwerking mogelijk is...Heel inspirerend.”

En de zonnecellen, wanneer kunnen die concurreren met andere vormen van energieopwekking?

Atwater: “Dat kunnen ze soms al. De prijs die ik in Californië tijdens piekuren voor stroom betaal, is hoger dan de prijs van zonnestroom. En ja, daar staat tegenover dat de prijs van stroom in daluren haast nergens zo laag is als in de VS. Maar toch denk dat zonne-energie op steeds meer plaatsen concurrerend zal worden, zeker als je ziet hoe snel die prijs het laatste half jaar daalt.”

Polman: “Het fundamenteel onderzoek draagt daar op twee manieren aan bij. Op de korte termijn proberen we de efficiëntie van zonnecellen tot 30 procent op te schroeven – vooral met nieuwe materialen. Op de lange termijn proberen we die nog veel hogere efficiëntie te bereiken.”

Atwater: “Kijk, de zonnecellen van nu zijn gebaseerd op dikke plakken silicium en hun efficiëntie heeft een plafond bereikt. We moeten dus nieuwe wegen bewandelen. Zoals via dat lichtmanagement waarbij je licht in kleuren uiteenrafelt en daarna elk van die kleuren met nanotechnieken en geschikte materialen zo efficiënt mogelijk omzet. Of door in plaats van het dure, dikke silicium dunne films te gebruiken die je goedkoop kunt maken.”

Polman: “Ja, maar dat laatste verandert nu. Want naast het materiaal zelf heb je ook een behuizing nodig, elektronica en oppervlak om de zonnecellen op te plaatsen. Dat kost eveneens geld. Daardoor kan een iets duurder materiaal met een efficiëntie van 20 procent tóch goedkoper uitpakken dan zelfs een gratis dunne film die drie keer zoveel oppervlak, behuizing etcetera vergt.”

En ja, aan die efficiëntie werken ze dus. En nee, wat ze met het prijzengeld gaan doen, 100.000 euro elk, dat weten ze nog niet. Al overweegt Polman om eindelijk zonnecellen op zijn dak te zetten – “liefst met een klein onderzoekslabje erbij.”