Faits :
A.
A.A._ et les héritiers de D.A._, décédé le 3 juillet 2019, soit ses enfants B.A._ et C.A._, sont les propriétaires des parcelles nos 2473 et 2474, feuille 11 de la Commune de Genthod (GE), sises en zone 5 (zone villa) à l'adresse 10A et 10B, chemin de Pierre-Grise.
Ces parcelles, d'une surface respective de 361 m2 et de 393 m2, sont contiguës et libres de toute construction. Elles résultent de la division en trois, réalisée le 19 mai 2015, de l'ancienne parcelle n° 1088, sur laquelle une maison d'habitation avait été construite. Cette maison se trouve aujourd'hui sur la troisième parcelle issue de la division de la parcelle n° 1088, soit la parcelle n° 2472, que A.A._ et D.A._ avaient vendue à un tiers le 1er juin 2015.
Depuis l'adoption, le 6 mai 2009, par le Conseil d'État de la République et canton de Genève du plan déterminant les degrés de sensibilité (au sens des art. 43 et 44 de l'ordonnance du 15 décembre 1986 sur la protection contre le bruit [OPB; RS 814.41]) pour la Commune de Genthod (plan n° 29322/A-520), le degré de sensibilité II est attribué à ces parcelles, qui sont situées dans l'axe de la piste de l'Aéroport international de Genève (ci-après également: l'aéroport), à environ 2,5 km de l'extrémité nord de la piste.
B.
Le 19 juin 2015, le Département a refusé, en particulier en raison de l'exposition au bruit des parcelles nos 2473 et 2474, l'autorisation de construire que A.A._ avait requise en vue de l'édification de deux villas jumelées sur les parcelles précitées.
Par jugement du 4 février 2016, devenu définitif, le Tribunal administratif de première instance (ci-après: le Tribunal administratif) a rejeté le recours que A.A._ et D.A._ avaient formé contre la décision du Département du 19 juin 2015.
C.
C.a. Le 10 novembre 2016, A.A._ a déposé une demande d'autorisation de construire (DD 109'679), sur les parcelles nos 2473 et 2474, une villa individuelle de plain-pied, comportant un " jardin d'hiver/patio fermé " (ci-après: le patio) d'une superficie de 30,3 m2 sis en son centre, ainsi que d'un couvert à voitures. Il était prévu que le patio fût surmonté d'une verrière reposant sur des amortisseurs de bruit d'une hauteur de 30 centimètres.
C.b. Par décision du 2 mai 2017, le Département a refusé de délivrer l'autorisation de construire sollicitée.
En substance, comme l'avait constaté le Service cantonal de l'air, du bruit et des rayonnements non ionisants (ci-après: le SABRA) dans ses préavis des 21 décembre 2016 et 28 février 2017, les valeurs limites d'immission (ci-après: VLI) définies par l'annexe 5 de l'OPB (Valeurs limites d'exposition au bruit des aérodromes civils) étaient dépassées de 3 à 4 décibels (dB) de jour, mais surtout de 6 dB durant les périodes nocturnes. L'Aéroport, qui avait émis un préavis défavorable, était parvenu à la même conclusion. Le projet prévoyait certes une solution architecturale pour le patio (ventilation par un atrium, protégé par un voile de verre) qui, comme relevé par le SABRA, permettait de respecter les VLI à l'embrasure des fenêtres ouvertes des locaux sensibles au bruit. Cette mesure impliquait toutefois que les fenêtres donnant sur l'extérieur ne devaient pas pouvoir s'ouvrir, ce qui contrevenait à l'art. 125 du règlement d'application du 27 février 1978 de la loi cantonale sur les constructions et les installations diverses (RCI; RS/GE L 5 05.01), qui disposait que toute pièce pouvant servir à l'habitation devait être pourvue de jours ouvrant directement sur l'extérieur.
C.c. A.A._ et D.A._ ont formé un recours auprès du Tribunal administratif (enregistré sous le numéro de procédure A/2476/2017) contre la décision du 2 mai 2017.
Le 2 novembre 2017, le Tribunal administratif a suspendu la procédure pour permettre aux différents intéressés d'examiner des solutions en vue d'optimiser le projet, en particulier sous son aspect phonique.
D.
D.a. Le 8 mai 2018, A.A._ a déposé une demande d'autorisation de construire en procédure accélérée (APA 50'257) visant à l'édification d'une villa individuelle et d'un couvert à voitures sur les parcelles nos 2473 et 2474.
Le projet était presque identique à celui enregistré sous la référence DD 109'679, à la différence que le patio était à ciel ouvert, donc non recouvert d'une verrière, et que des écrans antibruit d'une longueur de 90 cm étaient posés en bord de toiture, au-dessus des ouvertures donnant sur le patio.
D.b. Par décision du 6 novembre 2018, le Département a refusé de délivrer l'autorisation de construire sollicitée.
Il a considéré en substance que le projet ne pouvait pas être autorisé en vertu de l'<ref-law>. Ainsi, compte tenu de la proximité de l'axe de la piste d'atterrissage de l'aéroport et de la dispersion des trajectoires des avions au décollage, aucune façade de la villa projetée n'était abritée du bruit, de sorte qu'il n'était pas possible d'orienter les pièces habitées et de disposer les fenêtres du côté opposé à la source de bruit pour se conformer à l'<ref-law>. Les mesures acoustiques proposées ne pouvaient pas être considérées comme une mesure de construction ou d'aménagement susceptible de protéger le bâtiment contre le bruit au sens de l'<ref-law>. Enfin, il n'y avait pas matière à accorderune dérogation en vertu de l'<ref-law>.
D.c. A.A._ et D.A._ ont formé un recours auprès du Tribunal administratif (enregistré sous le numéro de procédure A/4355/2018) contre la décision du 6 novembre 2018.
E.
Par jugement du 27 juin 2019, le Tribunal administratif a rejeté les recours formés dans les causes A/2476/2017 et A/4355/2018, qu'il avait préalablement jointes.
Statuant par arrêt du 18 août 2020, la Chambre administrative de la Cour de justice cantonale a rejeté le recours des propriétaires contre le jugement du 27 juin 2019.
F.
Par acte du 21 septembre 2020, A.A._ ainsi qu'B.A._ et C.A._ forment un recours en matière de droit public au Tribunal fédéral contre l'arrêt du 18 août 2020. Ils concluent, avec suite de frais et dépens, principalement à sa réforme en ce sens que l'autorisation de construire sollicitée du Département par la demande APA 50'257 leur est octroyée. Subsidiairement, ils concluent à l'annulation de l'arrêt et au renvoi de la cause à l'autorité précédente pour nouvelle décision.
Invité à se déterminer, le Département conclut au rejet du recours. L'Office fédéral de l'environnement estime pour sa part que l'arrêt attaqué est conforme au droit fédéral de l'environnement. La Cour de justice renonce à présenter des observations.
Dans leurs déterminations ultérieures, les recourants, pour une dernière fois le 7 juin 2021, et le Département persistent dans leurs conclusions.

Considérant en droit :
1.
Dirigé contre une décision finale (<ref-law>) prise en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF) dans le domaine du droit public des constructions (<ref-law>), le recours est en principe recevable comme recours en matière de droit public selon les <ref-law>, aucune des exceptions prévues à l'<ref-law> n'étant réalisée. Les recourants ont pris part à la procédure de recours devant la Cour de justice, dont l'arrêt attaqué confirme le rejet des demandes d'autorisation de construire que le recourant A.A._ avait déposées auprès du Département. En tant que propriétaires de la parcelle sur laquelle la construction est prévue, les recourants sont ainsi particulièrement touchés par l'arrêt attaqué et peuvent se prévaloir d'un intérêt personnel et digne de protection à son annulation. Ils ont dès lors qualité pour agir au sens de l'<ref-law>. Les autres conditions de recevabilité sont par ailleurs réunies, si bien qu'il y a lieu d'entrer en matière sur le fond.
2.
Le Tribunal fédéral n'est pas une autorité d'appel, auprès de laquelle les faits pourraient être rediscutés librement. Il est lié par les constatations de fait de la décision entreprise (<ref-law>), à moins qu'elles n'aient été établies en violation du droit ou de manière manifestement inexacte au sens des art. 97 al. 1 et 105 al. 2 LTF, à savoir, pour l'essentiel, de façon arbitraire au sens de l'art. 9 Cst. (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 4.1.2 p. 62), ce qu'il appartient à la partie recourante de démontrer par une argumentation répondant aux exigences de l'<ref-law>, respectivement de l'<ref-law>.
Dans une première partie de leur écriture, intitulée " Remarques sur l'état de fait retenu dans le jugement attaqué en vue d'inviter le Tribunal fédéral à le compléter (<ref-law>) ", les recourants s'en prennent à divers faits que l'autorité précédente a prétendument omis ou retenus de manière manifestement inexacte au moment d'apprécier les différents préavis et rapports établis en cours de procédure. Pour autant, ils ne tentent toutefois pas de démontrer dans quelle mesure ces faits ont une incidence sur l'issue du litige, ni dès lors en quoi ceux-ci consacreraient un procédé arbitraire de la cour cantonale. Leurs développements sont dès lors irrecevables en application des art. 42 al. 2 et 106 al. 2 LTF. Ils pourront cependant être examinés dans la mesure où les recourants présentent, dans la suite de leur mémoire, sur les mêmes faits une argumentation répondant aux exigences précitées.
3.
Les recourants produisent, pour la première fois en procédure fédérale, un exemplaire de la directive Cercle bruit du 22 décembre 2017 (Exigences posées aux zones à bâtir et permis de construire dans les zones affectées par le bruit; Aide à l'exécution 2.0), de laquelle il en ressortirait notamment que la création d'un patio central ou d'une cour intérieure constitue une mesure efficace de lutte contre le bruit. Cela étant, dès lors que les faits que les recourants entendent en déduire ne sont pas pertinents pour l'issue du litige, faute de concerner spécifiquement les problématiques en lien avec le bruit des avions (cf. consid. 5.3.5 infra), la recevabilité du document au regard de l'<ref-law> peut demeurer indécise.
4.
Les recourants ne reviennent pas sur le rejet de la demande d'autorisation de construire déposée le 10 novembre 2016 (DD 109'679). A cet égard, on relèvera que le refus d'autorisation du projet avait été motivé par l'absence, sur le pourtour de la villa, de fenêtres ouvertes donnant sur l'extérieur, en contravention notamment à l'art. 125 RCI, alors que celles donnant sur le patio central n'entraient pas en considération dès lors que ce patio, recouvert d'une verrière, devait être considéré comme un espace fermé (cf. arrêt attaqué, consid. 5 p. 11 s.; jugement du Tribunal administratif du 27 juin 2019, consid. 17 p. 27).
5.
En revanche, les recourants soutiennent que la demande déposée le 8 mai 2018 en procédure accélérée (APA 50'257), qui prévoit un patio à ciel ouvert au centre de la villa, comparable à une cour intérieure, aurait dû aboutir à l'octroi d'une autorisation de construire, dès lors que le projet était conforme aux normes sur la protection contre le bruit. Ils invoquent à cet égard des violations des art. 22 de la loi fédérale du 7 octobre 1983 sur la protection de l'environnement (LPE; RS 814.01) ainsi que des art. 31 et 39 OPB.
5.1.
5.1.1. L'art. 22 de la loi fédérale du 22 juin 1979 sur l'aménagement du territoire (LAT; RS 700) soumet l'octroi d'une autorisation de construire aux conditions que la construction ou l'installation soit conforme à l'affectation de la zone (al. 2 let. a) et que le terrain soit équipé (al. 2 let. b). Il réserve en outre les autres conditions posées par le droit fédéral et le droit cantonal (al. 3).
5.1.2. Selon l'<ref-law>, relatif aux permis de construire dans les zones affectées par le bruit, les permis de construire de nouveaux immeubles destinés au séjour prolongé de personnes ne seront délivrés, sous réserve de l'al. 2, que si les VLI ne sont pas dépassées (al. 1); si les VLI sont dépassées, les permis de construire de nouveaux immeubles destinés au séjour prolongé de personnes ne seront délivrés que si les pièces ont été judicieusement disposées et si les mesures complémentaires de lutte contre le bruit qui pourraient encore être nécessaires ont été prises (al. 2).
Cette disposition est précisée à l'<ref-law> dans les termes suivants: lorsque les VLI sont dépassées, les nouvelles constructions ou les modifications notables de bâtiments comprenant des locaux à usage sensible au bruit, ne seront autorisées que si ces valeurs peuvent être respectées par la disposition des locaux à usage sensible au bruit sur le côté du bâtiment opposé au bruit (let. a) ou par des mesures de construction ou d'aménagement susceptibles de protéger le bâtiment contre le bruit (let. b). A teneur de l'<ref-law>, si les mesures fixées à l'al. 1 ne permettent pas de respecter les VLI, le permis de construire ne sera délivré qu'avec l'assentiment de l'autorité cantonale et pour autant que l'édification du bâtiment présente un intérêt prépondérant.
5.1.3. Conformément à l'<ref-law>, les locaux dont l'usage est sensible au bruit sont les pièces des habitations, à l'exclusion des cuisines sans partie habitable, des locaux sanitaires et des réduits (let. a) ainsi que les locaux d'exploitations, dans lesquels des personnes séjournent régulièrement durant une période prolongée; en sont exclus les locaux destinés à la garde d'animaux de rente et les locaux où le bruit inhérent à l'exploitation est considérable (let. b).
5.2. Il n'est pas contesté que les parcelles des recourants, situées dans l'axe de la piste de l'Aéroport international de Genève, sont exposées au bruit des avions. Il n'est pas non plus contesté que les VLI déterminantes sont celles figurant à l'annexe 5 de l'OPB (Valeurs limites d'exposition au bruit des aérodromes civils), ni que le degré de sensibilité II (cf. <ref-law>) est attribué aux parcelles des recourants.
Il ressort à cet égard de l'arrêt entrepris que, selon le cadastre des immissions du bruit aérien élaboré en mars 2009 par l'OFAC, dont les données ont été reprises par le SABRA dans ses préavis successifs, les VLI étaient largement dépassées sur les parcelles concernées, soit en l'occurrence de 3 à 4 dB durant la période de 6 à 22 heures, de 6 dB entre 22 et 23 heures et de 5 à 6 dB entre 23 heures et minuit (cf. arrêt attaqué, ad " En fait ", ch. 4c et 4e p. 3).
5.3. Les recourants font valoir en substance que, par les dispositifs constructifs spécifiques prévus, leur projet permet le respect des VLI au niveau des fenêtres ouvertes des locaux à usage sensible aux bruits, de sorte que l'autorisation de construire doit leur être accordée en application des <ref-law>, sans qu'il est nécessaire que les VLI soient également respectées dans les " alentours immédiats " de la construction projetée.
5.3.1. Les mesures de construction et d'aménagement visées par l'<ref-law> sont celles qui permettent de respecter les VLI au milieu des fenêtres ouvertes des pièces destinées à un usage sensible au bruit (<ref-ruling> consid. 3.7; arrêt 1C_196/2008 du 13 janvier 2009 consid. 2.4). La détermination du bruit au milieu de la fenêtre ouverte est destinée à préserver le bien-être des habitants, car elle garantit que les fenêtres puissent être ouvertes à des fins autres que l'aération et que le niveau sonore dépasse seulement de manière insignifiante les valeurs limites de planification et d'immission, y compris dans les environs (jardins, balcons; <ref-ruling> consid. 3.7; arrêts 1C_260/2016 du 6 juin 2017 consid. 4.4.3).
Les meures constructives au sens de l'<ref-law> ne doivent pas se limiter à de simples mesures d'isolation (tels que des fenêtres antibruit ou des fenêtres non ouvrables combinées avec une climatisation), en tant qu'elles visent à réduire le bruit à l'intérieur des pièces, fenêtres fermées. Elles doivent bien plutôt constituer des obstacles entre la source du bruit et les bâtiments, de manière à permettre le respect des valeurs limites pour les locaux à usage sensible, fenêtres ouvertes (<ref-law>). La nature particulière du bruit aérien, qui se disperse de manière diffuse, ne permet toutefois généralement pas de parvenir à un tel résultat (arrêts 1C_588/2016 du 26 octobre 2017 consid. 4.2; 1C_196/2008 du 13 janvier 2009 consid. 2.4).
5.3.2. En vertu de l'<ref-law>, l'Office fédéral de l'environnement (OFEV) a la tâche de recommander des méthodes de calcul de bruit aérien appropriés. Il a ainsi édité en 2016, conjointement avec l'Office fédéral de l'aviation civile (OFAC) et le Secrétariat général du Département fédéral de la défense, de la protection de la population et des sports (DDPS), une aide à l'exécution visant à concrétiser les exigences générales de l'OPB concernant les méthodes de calcul du bruit aérien (cf. Manuel du bruit aérien, Instructions pour la détermination du bruit aérien, L'environnement pratique n° 1625, Berne 2016; ci-après: le Manuel du bruit aérien).
Si l'<ref-law> définit d'une manière générale comme lieu de la détermination le milieu de la fenêtre ouverte des locaux à usage sensible au bruit, cette disposition permet toutefois aussi la détermination des immissions de bruit des avions " à proximité des bâtiments ". Comme cela ressort du Manuel du bruit aérien évoqué ci-avant (cf. ch. 3.3.3 p. 25 s.) ainsi que des explications de l'OFEV dans la présente procédure fédérale (cf. observations du 4 décembre 2020, ch. 3.2 p. 2), cette précision tient au fait que la détermination du bruit au milieu de la fenêtre ouverte n'est pas praticable dans le cas du bruit aérien, dont les nuisances générées sont, de par leur nature spécifique, nettement plus délicates à appréhender que celles relatives au bruit routier ou ferroviaire par exemple : source en altitude, variation des angles d'exposition au bruit, direction de propagation, grande dynamique du signal sonore, situation latérale ou dans l'axe de la piste, trajectoires fluctuantes des avions. En outre, les calculs d'immissions précis résultant de la propagation de ces émissions aériennes à petite échelle ne sont pas évidents, car ils impliquent non seulement une maîtrise des phénomènes de propagation du son à l'air libre (effets écran), mais aussi celle de phénomènes d'acoustique des espaces clos (réverbérations notamment).
5.3.3. En l'occurrence, la cour cantonale a jugé que les dispositifs prévus par les recourants en vue de " briser " le bruit, comprenant en particulier la pose d'écrans antibruit d'une longueur de 90 cm au-dessus des ouvertures donnant sur le patio, étaient certes susceptibles de constituer des mesures de construction ou d'aménagement au sens de l'<ref-law>. Néanmoins, en tant que ces éléments avaient pour effet de n'obstruer qu'une partie de l'ouverture vers l'extérieur que doit représenter le patio, ils ne protégeaient que les fenêtres et non l'environnement immédiat, à savoir le patio lui-même (cf. arrêt attaqué, consid. 8 p. 15).
5.3.4. Le raisonnement exposé, de même que la référence faite à l'art. 39 al. 1, 2ème phrase, OPB, permettent de comprendre que, selon la cour cantonale, il était en l'espèce nécessaire que les VLI fussent respectées non seulement au milieu de la fenêtre ouverte des locaux à usage sensible au bruit, mais également à proximité immédiate du bâtiment. Il apparaît ainsi que, contrairement à ce que soutiennent les recourants, la cour cantonale a effectivement abordé la problématique en lien avec le lieu de détermination des immissions de bruit des avions, sans qu'il était toutefois nécessaire selon elle, compte tenu de la clarté du texte légal, d'examiner plus avant les critiques des recourants quant à la pertinence de déterminer les immissions à un autre endroit qu'aux fenêtres. On ne distingue pas dans ce contexte de violation du droit d'être entendu (cf. art. 29 al. 2 Cst.).
Cela étant, l'approche de la cour cantonale doit être suivie. En particulier, on ne voit pas que, compte tenu de la systématique de l'OPB, le lieu de détermination particulier prévu par l'art. 39 al. 1, 2ème phrase, OPB, s'agissant du bruit aérien, est réservé à la seule élaboration des courbes de bruit, consignées dans les cadastres de bruit (<ref-law>), ni qu'il soit proscrit de prendre en considération cette spécificité lorsqu'il s'agit d'examiner si un projet concret peut être autorisé en vertu de l'<ref-law>. On ne déduit ainsi rien de tel du Manuel du bruit aérien élaboré par l'OFEV en vertu de l'<ref-law>, ni d'ailleurs de la jurisprudence du Tribunal fédéral qui tend au contraire à tenir compte de la nature particulière du bruit aérien dans l'examen de l'adéquation des mesures proposées au sens de l'<ref-law> (cf. consid. 5.3.1 supra).
En outre, c'est en vain que les recourants se prévalent des rapports des préavis du SABRA et des rapports de l'ingénieur acousticien qu'ils avaient mandaté, dont leur lecture ne permet pas d'en déduire que les mesures de constructions proposées en l'espèce, même techniquement abouties et propres à réduire les immissions de bruit au niveau des fenêtres donnant sur le patio, suffisent pour autant à respecter les VLI dans l'environnement immédiat du bâtiment. En particulier, si le SABRA souligne certes que l'efficacité des dispositifs constructifs est susceptible de jouer un rôle dans la pesée des intérêts et la justification de l'octroi d'une autorisation exceptionnelle au sens de l'<ref-law>, elle n'est en revanche " pas déterminante pour la question du respect de la valeur limite déterminante ", le SABRA ayant ainsi expressément préavisé le projet de manière défavorable " compte tenu du non-respect de l'<ref-law> " (cf. préavis du SABRA du 20 juillet 2018, p. 3).
5.3.5. Il n'est par ailleurs pas critiquable de considérer qu'au vu de la dispersion de la trajectoire des avions et de la proximité de l'axe de la piste de l'aéroport, les locaux à usage sensible au bruit n'étaient pas susceptibles d'être disposés sur le côté du bâtiment opposé au bruit, en application de l'<ref-law>, ce qui va également dans le sens de la jurisprudence (cf. en particulier arrêt 1C_196/2008 du 13 janvier 2009 consid. 2.4, s'agissant du cas d'une construction projetée dans les environs [24, chemin de Chênes, à Genthod]).
Contrairement à ce que soutiennent les recourants, on ne distingue pas, aux termes du préavis du SABRA du 20 juillet 2018 (cf. consid. 5.3.4 supra), que celui-ci soit parvenu à une autre conclusion. A tout le moins, l'arrêt attaqué ne repose pas, quant à l'appréciation de ce préavis, sur une constatation manifestement inexacte ou incomplète des faits au sens de l'<ref-law>. Les recourants ne sauraient du reste se prévaloir de la directive Cercle bruit du 22 décembre 2017 dans le but de démontrer que l'orientation des fenêtres vers une cour intérieure ou un atrium est une mesure efficace de lutte contre le bruit (cf. directive Cercle bruit, ch. 3.3 p. 5 et ch. 3.5 p. 6), la directive en cause ne prenant à cet égard pas en compte les caractéristiques particulières du bruit des avions.
5.3.6. Enfin, en l'absence d'effet protecteur par la disposition des locaux au sens de l'<ref-law>, il n'y avait pas matière à prendre en considération un éventuel " effet cumulé " avec les exigences de l'<ref-law>. Quoi qu'il en soit, la cour cantonale n'a pas violé l'<ref-law> en analysant successivement les conditions alternatives découlant des lettres a et b de cette norme.
5.4. Les recourants se plaignent que la cour cantonale n'a pas examiné, sous prétexte qu'elle était saisie d'une demande d'autorisation en procédure accélérée en vertu du droit cantonal (art. 3 al. 7 de la loi cantonale du 14 avril 1988 sur les constructions et les installations diverses; RS/GE L 5 05), si l'autorisation de construire pouvait néanmoins leur être accordée en application de l'<ref-law>. Ils dénoncent un formalisme excessif.
5.4.1. Le formalisme excessif est un aspect particulier du déni de justice prohibé par l'art. 29 al. 1 Cst. Il est réalisé lorsque la stricte application des règles de procédure ne se justifie par aucun intérêt digne de protection, devient une fin en soi, complique de manière insoutenable la réalisation du droit matériel ou entrave de manière inadmissible l'accès aux tribunaux (<ref-ruling> consid. 5.4.1 p. 183; <ref-ruling> consid. 2a p. 142; <ref-ruling> consid. 2a/bb p. 34). En tant qu'il sanctionne un comportement répréhensible de l'autorité dans ses relations avec le justiciable, l'interdiction du formalisme excessif poursuit le même but que le principe de la bonne foi consacré aux art. 5 al. 3 et 9 Cst. A cet égard, il commande à l'autorité d'éviter de sanctionner par l'irrecevabilité les vices de procédure aisément reconnaissables qui auraient pu être redressés à temps, lorsqu'elle pouvait s'en rendre compte assez tôt et les signaler utilement au plaideur (<ref-ruling> consid. 2.1 p. 9; <ref-ruling> consid. 3a p. 170; arrêt 2C_373/2011 du 7 septembre 2011, consid. 6.1).
5.4.2. Appelé à revoir l'application ou l'interprétation d'une norme cantonale sous l'angle de l'arbitraire, le Tribunal fédéral ne s'écarte de la solution retenue par l'autorité cantonale de dernière instance que si celle-ci apparaît insoutenable, en contradiction manifeste avec la situation effective, adoptée sans motifs objectifs et en violation d'un droit certain. Lorsque l'application ou l'interprétation de la loi défendue par l'autorité cantonale ne se révèle pas déraisonnable ou manifestement contraire au sens et au but de la disposition ou de la législation en cause, elle est confirmée, même si une autre solution éventuellement plus judicieuse paraît possible. En outre, il ne suffit pas que les motifs de l'arrêt attaqué soient insoutenables; encore faut-il qu'il soit arbitraire dans son résultat (<ref-ruling> consid. 5.1 p. 41; <ref-ruling> consid. 4.4.1 p. 113). Le grief de violation du droit cantonal est soumis à des exigences de motivation accrue (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 5.1 p. 41; <ref-ruling> consid. 2.1 p. 372).
Conformément à l'art. 3 al. 7 LCI, le Département peut traiter par une procédure accélérée les demandes d'autorisation relatives à des travaux, notamment s'ils sont projetés en cinquième zone aux conditions prévues par les art. 58 ss LCI et lorsqu'aucune dérogation n'est sollicitée (let. a). Dans ce cas, la demande n'est pas publiée dans la Feuille d'avis officielle et le Département peut renoncer à solliciter le préavis communal; l'autorisation est, par contre, publiée dans la Feuille d'avis officielle et son bénéficiaire est tenu, avant l'ouverture du chantier, d'informer, par écrit, les locataires et, le cas échéant, les copropriétaires de l'immeuble concerné des travaux qu'il va entreprendre; une copie de l'autorisation est envoyée à la commune intéressée (art. 3 al. 7 in fine LCI).
5.4.3. La cour cantonale a jugé, à la suite du Tribunal administratif, qu'il n'y avait pas lieu d'examiner si l'octroi d'une autorisation exceptionnelle au sens de l'<ref-law> pouvait être délivrée aux recourants, dès lors que la demande d'autorisation du 8 mai 2018 (ATA 50'257) avait été déposée en la forme de la procédure accélérée, laquelle ne permettait pas de solliciter de dérogation (cf. art. 3 al. 7 let. a LCI), ni de surcroît d'en obtenir (arrêt attaqué, consid. 9 p. 15 s.).
5.4.4. Les recourants ne contestent pas que l'autorisation prévue par la voie de l'<ref-law>, en tant qu'elle nécessite " l'assentiment de l'autorité cantonale ", implique une dérogation au sens de l'art. 3 al. 7 let. a LCI, ni ne se prévalent non plus d'une application arbitraire du droit cantonal à cet égard.
Cela étant, dans la mesure où la procédure accélérée, en l'absence de publication de la requête, est de nature à empêcher toute opposition émanant des voisins ou d'autres tiers intéressés et à les priver ainsi d'un degré de juridiction en les contraignant à recourir (cf. arrêt 1C_641/2012 du 30 avril 2013 consid. 3.3. et 3.4), le refus de la cour cantonale d'examiner le respect des conditions de l'<ref-law>, en l'absence d'une procédure menée en la forme ordinaire, ne consacre pas une application excessivement stricte des règles de procédure, qui ne serait justifiée par aucun intérêt digne de protection. A tout le moins, les recourants ne présentent à cet égard aucune motivation conforme à l'<ref-law>.
Certes, dans sa décision du 6 novembre 2018, le Département s'était effectivement prononcé, au fond, en défaveur d'une autorisation au sens de l'<ref-law>. Pour autant, les recourants, qui ne précisent pas les motifs pour lesquels ils avaient renoncé à déposer d'emblée une demande en la forme ordinaire ou, à tout le moins, à requalifier leur demande en cours de procédure, ne démontrent pas non plus dans quelle mesure les autorités judiciaires étaient pour leur part empêchées, au regard de leur pouvoir d'examen et des règles cantonales en la matière, de refuser, pour des motifs liés au type de procédure choisi, de se prononcer sur l'octroi d'une autorisation dérogatoire. Ils ne font du reste pas état d'assurances qui leur auraient été données par le Département quant à la possibilité qu'une autorisation, au sens de l'<ref-law>, leur fût délivrée en dépit de leur choix de déposer une demande en la forme accélérée.
5.4.5. Il n'y a au surplus pas matière à se prononcer en l'espèce sur les griefs des recourants tirés d'une restriction, disproportionnée et contraire à l'intérêt public, de la garantie de la propriété (art. 26 et 36 Cst.), la pesée des intérêts à opérer dans ce contexte devant intervenir dans le cadre de l'examen prévu par l'<ref-law> (cf. arrêt 1C_588/2016 du 26 octobre 2017 consid. 4.1), qui n'est pas l'objet du litige pour les motifs exposés ci-dessus.
5.5. Il résulte de ce qui précède que la cour cantonale n'a pas violé le droit fédéral en refusant d'autoriser les travaux projetés dans le cadre de la demande APA 50'257.
6.
Le recours doit être rejeté dans la mesure où il est recevable. Les recourants, qui succombent, supportent les frais judiciaires (art. 66 al. 1 et 5 LTF). Il n'est pas alloué de dépens (cf. <ref-law>).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2.
Les frais judiciaires, arrêtés à 4'000 fr., sont mis à la charge des recourants, solidairement entre eux.
3.
Le présent arrêt est communiqué au mandataire des recourants, au Département du territoire de la République et canton de Genève, à la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre administrative, et à l'Office fédéral de l'environnement.
Lausanne, le 29 juin 2021
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président : Kneubühler
Le Greffier : Tinguely